Airbus announced, in time for the Singapore show, that its “CityAirbus” electrical urban-air-mobility demonstrator programme reached an important milestone: the completion and “power on” of the “iron bird” ground test facility in Taufkirchen, Germany.
This enables the verification of the entire electric propulsion system of CityAirbus, developed by Airbus’ E-Aircraft Systems unit. After being maturated and verified on the iron bird, the propulsion system will be embedded on the demonstrator by mid-2018. The test bench configuration reflects the CityAirbus architecture including motors, power electronics and distribution boxes – developed and produced by Siemens.
Meanwhile, the development of the CityAirbus airframe vehicle itself is on-going. The first structural parts have been produced and are on the way to assembly. These development steps pave the way to the CityAirbus’ first flight before the end of 2018.
CityAirbus is a multi-passenger, self-piloted battery-powered vertical take-off and landing vehicle. It is designed to carry up to four passengers over congested megacities in a fast, affordable and environmentally friendly way.
Co-Founder AirInsight. My previous life includes stints at Shell South Africa, CIC Research, and PA Consulting. Got bitten by the aviation bug and ended up an Avgeek. Then the data bug got me, making me a curious Avgeek seeking data-driven logic. Also, I appreciate conversations with smart people from whom I learn so much. Summary: I am very fortunate to work with and converse with great people.
Grobkalkulation zur technischen Realisierung einer Passagierdrohne
In der Märkischen Allgemeinen Zeitung (und in anderen Medien) wurde Mitte März 2019 ein Demonstrationsmodell (Phantom) eine Passagierdrohne für vier Passagiere mit vier Doppelrotoren vorgestellt, die in naher Zukunft den städtischen Innenverkehr durch Nutzung der „dritten Dimension“ signifikant entlasten soll. Technisch scheint diese Technologie auch realistische Chancen der technischen Umsetzung bzw. Verwirklichung zu haben. Dies soll einmal mit einer mathematisch-physikalischen Grobkalkulation geprüft werden.
1. Zum E-Antrieb
Es existieren bereits momentan Autobatterien mit einer Kapazität von Q=100 Ah bei einer Nennspannung Un=12 V (HR HiPower Autobatterie – gravierende technische Weiterentwicklungen in naher Zukunft sind denkbar). Dies ergäbe eine potentiellen elektrische Energie von
W=Q*Un= 100 Ah*12V= 1,2 kWh. (1)
pro Batterie. Bei 8 Batterien (je zwei pro Doppelrotor) wäre dies eine Gesamtenergie von
W=1,2 kWh*8= 9,6 kWh ? 10 kWh (2)
Es stünde für eine Stunde dann eine durchschnittliche Leistung von
W:t= 9,6 kWh:1h=9,6 kW? 10 kW. (3)
zur Verfügung. Bei einem anzunehmenden Gesamtgewicht von ca. G=0,5 t ? 5000 N (bei Einsatz von Karbon-Verbundstoffen/Faserverbundstoffen) könnte der Mini-Airbus bei einer resultierenden Hubkraft von 5000 N mit einer Steiggeschwindigkeit von rund vs? 2 m/s=7,2 km/h sich in die Luft erheben. Denn es gilt:
v=P:F (G)= 9600 Nm/s: 5000 N ? 2 m/s =7,2 km/h. (4)
Eine Strecke von 100 km könnte dann innerhalb von einer Stunde Flugzeit bewältigt werden (macht eine Fluggeschwindigkeit 100 km/h aus). Die leistungsdichte von E-Motoren beträgt momentan maximal 5 kWh/kg – das Rüstgewicht würde sich durch die Zuladung von 8 E-Motoren nicht wesentlich erhöhen!
2. Zum Rotorantrieb
Die Rotoren sollen einen Durchmesser von s= 8 m besitzen (laut http://www.welt.de zum Mini-Airbus), wobei die Blattbreite b=0,2 m betragen soll. Dies ergäbe dann eine Rotorblattfläche bei vier Rotoren zu je 2 Blättern von
A=8 m*0,2*8 m² = 12,8 m². (5)
Die Luftdichte ? nimmt einen Wert von 1,3 kg/m² an und der Auftriebsbeiwert soll einmal mit ca=1,4 angenommen werden. Dann ergäbe sich, ausgehend von der Formel zur Berechnung des Auftriebes
F=0,5*v²*?*A*ca , (6)
eine theoretische vertikale Rotorgeschwindigkeit bei einer maximalen Hubkraft von 5.000 N (Schwebezustand, Abheben), von
vv=?F*2: (?*A*ca)= ?10.000 N: (1,3*12,8 m² *1.4) ? 21 m/s ? 75 km/h. (7)
wobei durch Reibungsverluste und Verluste durch den Luftwiderstand lediglich 10 m/s=36 km/h resultieren sollen.
Nach dieser groben Überschlagsrechnung könnte diese Technik einer City-Drohne durchaus Zukunftschancen einer Realisierung besitzen. Ob diese Technologie dann auch rentabel ist, sein einmal dahingestellt – dies muss schlussendlich die Erprobung zeigen.
Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen
Widerlegung eines Mini-Airbus mit 2,2 t Gesamtgewicht
Es sollen mit Ausnahme des Gesamtgewichtes von 2,2 t auch in diesem Falle sämtliche Parameter zutreffen, wie unter http://www.welt.de und weiter oben reflektiert: Die Rotoren sollen somit ebenfalls einen Durchmesser von s= 8 m besitzen (laut http://www.welt.de zum Mini-Airbus), wobei die Blattbreite mit b=0,2 m angenommen werden soll. Dies ergäbe dann eine Rotorblattfläche bei vier Rotoren zu je 2 Blättern von
A=8 m*0,2*8 m² = 12,8 m². (8)
Die Luftdichte ? nimmt einen Wert von 1,3 kg/m² an und der Auftriebsbeiwert soll einmal mit ca=1,4 angenommen werden. Dann ergäbe sich, ausgehend von der Formel zur Berechnung des Auftriebes
F=0,5*v²*?*A*ca , (9)
eine theoretische vertikale Geschwindigkeit des Hubschraubers bei einer maximalen Hubkraft von 22.000 N zum Abheben (Schwebezustand), von
vv=?F*2: (?*A*ca)= ?44.000 N: (1,3*12,8 m² *1.4) ? 43 m/s ? 156 km/h. (10)
Dieser Wert ist absolut utopisch und damit unrealistisch, insbesondere unter dem Aspekt der Leistung eines E-Antriebes! Diese müsste nämlich
P=F*v =22.000 N*43 m/s= 946.000 Nm/s =946.000 W=946 kW (11)
Betragen, also fast ein MW. Es stehen aber nur 10 kW zur Verfügung (siehe Formel 3 weiter oben).
Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen
Translation: Rough calculation for the technical realization of a passenger drone
In the Märkische Allgemeine Zeitung (and other media), a demonstration model (phantom) of a four-passenger passenger drone with four double rotors was presented in mid-March 2019, which should significantly relieve urban intercity in the near future by using the “third dimension”. Technically, this technology also seems to have realistic chances of technical implementation or realization. This should be checked once with a mathematical-physical rough calculation.
1. To the electric drive
There are currently car batteries with a capacity of Q = 100 Ah at a rated voltage Un = 12 V (HR HiPower car battery – serious technical developments in the near future are conceivable). This would give a potential electrical energy of
W = Q * Un = 100 Ah * 12V = 1.2 kWh. (1)
per battery. With 8 batteries (two per double rotor) this would be a total energy of
W = 1.2 kWh * 8 = 9.6 kWh? 10 kWh (2)
It would stand for an hour then an average power of
W: t = 9.6 kWh: 1h = 9.6 kW? 10 kW. (3)
to disposal. With an assumed total weight of approx. G = 0.5 t? 5000 N (when using carbon composites / fiber composites) could the Mini-Airbus with a resulting lifting force of 5000 N with a climbing speed of around vs? 2 m / s = 7.2 km / h rising in the air. Because it applies:
v = P: F (G) = 9600 Nm / s: 5000 N? 2 m / s = 7.2 km / h. (4)
A distance of 100 km could then be mastered within one hour of flight time (makes an airspeed 100 km / h). The power density of electric motors is currently a maximum of 5 kWh / kg – the setup weight would not increase significantly by the load of 8 electric motors!
2. To the rotor drive
The rotors should have a diameter of s = 8 m (according to http://www.welt.de mini-Airbus), the sheet width should be b = 0.2 m. This would then result in a rotor blade surface in four rotors of 2 sheets of
A = 8 m * 0.2 * 8 m² = 12.8 m². (5)
The air density? assumes a value of 1.3 kg / m² and the lift coefficient should be assumed once with ca = 1.4. Then it would be, starting from the formula for calculating the buoyancy
F = 0.5 * v² *? * A * ca, (6)
a theoretical vertical rotor speed with a maximum lifting force of 5,000 N (hovering, lifting), of
vv =? F * 2: (? * A * ca) =? 10,000 N: (1.3 * 12.8 m² * 1.4)? 21 m / s? 75 km / h. (7)
only 10 m / s = 36 km / h resulting from friction losses and losses due to air resistance.
After this rough rough estimate, this technique of a city drone could have a future chance of realization. Whether this technology is then profitable, is once left undecided – this must ultimately show the testing.
Siegfried Marquardt, King Wusterhausen
Refutation of a 2.2 t gross Airbus mini bus
In this case, with the exception of the total weight of 2.2 t, all parameters are also applicable in this case, as reflected in http://www.welt.de and above: The rotors should therefore also have a diameter of s = 8 m (according to US Pat http://www.welt.de to Mini-Airbus), where the sheet width with b = 0.2 m should be assumed. This would then result in a rotor blade surface in four rotors of 2 sheets of
A = 8 m * 0.2 * 8 m² = 12.8 m². (8th)
The air density? assumes a value of 1.3 kg / m² and the lift coefficient should be assumed once with ca = 1.4. Then it would be, starting from the formula for calculating the buoyancy
F = 0.5 * v² *? * A * ca, (9)
a theoretical vertical speed of the helicopter with a maximum lifting force of 22,000 N for lifting (suspended), of
vv =? F * 2: (? * A * ca) =? 44,000 N: (1.3 * 12.8 m² * 1.4)? 43 m / s? 156 km / h. (10)
This value is absolutely utopian and thus unrealistic, especially in terms of the performance of an electric drive! This would have to be
P = F * v = 22,000 N * 43 m / s = 946,000 Nm / s = 946,000 W = 946 kW (11)
Behavior, almost a MW. However, only 10 kW are available (see formula 3 above).
Siegfried Marquardt, King Wusterhausen