Whisper Aero nimmt seinem Whisper Jet die Krone auf

Jul 05, 2023

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Jetzt enthüllt Whisper Aero in einer Reihe von Vorträgen auf dem Aviation Forum des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), das vom 12. bis 16. Juni in San Diego, Kalifornien, stattfindet, weitere Einzelheiten zu seiner Technologie und seinen Methoden. Außerdem wird der Whisper Jet vorgestellt, ein „Visionsflugzeug“, das zeigt, wie seine kleinen, leisen Kanalventilatoren Elektroflüge mit höheren Geschwindigkeiten und geringeren Kosten als einige andere in der Entwicklung befindliche Konzepte ermöglichen könnten.

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Die Mitbegründer von Whisper Aero, CEO Mark Moore und Chief Operating Officer Ian Villa, waren zuvor die treibenden Kräfte hinter Uber Elevate, dem Programm, das elektrische Senkrechtstarter und -landeflugzeuge ins öffentliche Bewusstsein rückte. Mit ihrer Coming-out-Party in San Diego wollen sie ebenfalls die Bekanntheit der regionalen Luftmobilität (Regional Air Mobility, RAM) steigern, einem Konzept, von dem sie glauben, dass es genauso viel oder mehr Potenzial hat wie die urbane Luftmobilität, das aber bislang nur einen Bruchteil davon anzieht der Investition.

Der Air Current befand sich letztes Jahr am Hauptsitz von Whisper Aero in Crossville, Tennessee, als das Unternehmen seine EDF-Technologie vorführte und den Investoren eine Vorschau auf den Whisper Jet vorstellte. Hier erklären wir die Technologie und das unkonventionelle Design des Starrflügel-Whisper Jets mit neun Passagieren, der alte und neue Konzepte in einer auffallend originellen Konfiguration vereint. In einem Begleitartikel untersuchen wir die wirtschaftlichen Auswirkungen auf RAM und ob die Technologie von Whisper Aero ausreichend transformativ ist, um diesen anspruchsvollen Markt zu erschließen.

Moore verbrachte die ersten drei Jahrzehnte seiner Karriere bei der NASA und konzipierte die Kerninnovationen für ein extrem leises EDF, bevor er 2017 zu Uber kam. Seine vier Jahre bei Uber Elevate bestärkten nur seine Überzeugung, dass geringer Lärm für die Akzeptanz in der Gemeinschaft von entscheidender Bedeutung sein wird fortschrittliche Luftmobilität in all ihren Formen: von den kleinsten Lieferdrohnen bis hin zu eVTOL-Lufttaxis und elektrischen Pendlerflugzeugen, die von Regionalflughäfen aus fliegen. Als Joby Aviation Ende 2020 Uber Elevate übernahm, entschieden Moore und Villa, dass es an der Zeit sei, sich auf die Entwicklung von Moores Technologie zu konzentrieren.

Die Herausforderung von Whisper Aero bestand darin, geringe Geräuschentwicklung mit hoher Antriebseffizienz zu kombinieren, was durch den Einsatz einer sehr hohen Rotorblattzahl erreicht wurde. Tonale Geräusche – die aus reinen Tönen oder Wellenformen bestehen, die bei einer einzelnen Frequenz auftreten – sind typischerweise die stärkste Geräuschquelle für Kanalventilatoren und hängen von der Flügeldurchgangsfrequenz ab. Durch die Erhöhung der Anzahl der Flügel im Vergleich zu einem herkömmlichen Kanalventilator und deren Drehung mit ausreichend hoher Drehzahl konnte das Unternehmen die Flügeldurchgangsfrequenz in den Ultraschallbereich bringen, wo der resultierende Lärm für Menschen nicht hörbar ist und in der Atmosphäre schnell gedämpft wird.

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Die hohe Drehzahl maximiert zudem den Wirkungsgrad, da Elektromotoren dort ihre beste Leistung erzielen. Typischerweise sind hohe Drehzahlen mit hohen Blattspitzengeschwindigkeiten verbunden, die Breitbandgeräusche oder Geräusche erzeugen, die über einen weiten Frequenzbereich verteilt sind. Wenn der Durchmesser eines Lüfters jedoch klein genug ist, kann er auch bei hohen Drehzahlen niedrige Spitzengeschwindigkeiten aufweisen.

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Hier wird der Elektroantrieb zu einem Schlüsselfaktor, da das Gewicht des Elektromotors umgekehrt proportional zur Anzahl der Motoren ist. Für ein gewichtsbeschränktes Flugzeug bedeutet das, dass es vorzuziehen ist, die Leistung auf mehrere kleinere Elektromotoren zu verteilen, was bei herkömmlichen Kolben- und Turbinentriebwerken nicht der Fall ist. Der Einsatz mehrerer kleinerer Elektromotoren erleichtert auch die Ableitung überschüssiger Wärme über die Luft, sodass bei kleineren Flugzeuggrößen keine schweren und schleppenden Flüssigkeitskühlsysteme erforderlich sind.

Es gibt nur ein Problem: Eine Erhöhung der Anzahl und eine Verringerung der Dicke der freitragenden Flügel eines herkömmlichen Kanalventilatordesigns würde dazu führen, dass diese unter Last flattern und sich verformen. Um dieses Problem zu lösen, verfügt der Antrieb von Whisper Aero über eine Abdeckung, die die Blattspitzen verbindet und es ermöglicht, die Blätter wie Speichen an einem Fahrradrad zu spannen. Durch die Abdeckung wird außerdem der Spalt zwischen Schaufelspitze und Kanal bei herkömmlichen Impellern beseitigt, der eine Quelle von Lärm und Effizienzverlusten darstellt. Während hohe Zentrifugallasten bei Lüftern mit hohen Spitzengeschwindigkeiten den Einsatz von Schutzblechen unmöglich machen, stellt dies für die kleineren Antriebe von Whisper kein Problem dar, deren Durchmesser zwischen nur 4 und 24 Zoll liegt und daher niedrige Spitzengeschwindigkeiten aufweisen.

Das Unternehmen verrät noch nicht alle seine Tricks, hat den Investoren jedoch zusätzliche Funktionen mitgeteilt, die die Zuverlässigkeit und Wartbarkeit seiner Antriebe verbessern werden. Das Unternehmen ist außerdem davon überzeugt, dass seine kleinen, leicht belasteten „Blisks“ (Bladed Disks) gut zu Druckspritzgussverfahren passen, bei denen thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Großserienfertigung eingesetzt werden. Dies dürfte die Produktion der Antriebe von Whisper Aero in Kombination mit der Massenfertigung von Elektromotoren besonders wirtschaftlich machen.

Whisper Aero hat nicht die Absicht, ein Flugzeughersteller zu werden. Stattdessen möchte es, wie andere Motorenhersteller auch, als Zulieferer für eine Vielzahl von Plattformen fungieren (neben der Ermöglichung einiger anderer Anwendungen, wie z. B. extrem leiser Laubbläser, die außerhalb des Bereichs der Luft- und Raumfahrt liegen). Dennoch hat das Unternehmen den Whisper Jet entworfen, um einen Integrationsansatz zu demonstrieren, der seine EDFs optimal nutzt, und möchte mit einem etablierten Flugzeugentwickler zusammenarbeiten, um das Konzept in die Realität umzusetzen.

Das Konzept beginnt mit dem „Jetfoil“, das Whisper als eine Reihe von Kanalventilatoren definiert, die in der Vorderkante eines Flügels verschmolzen sind, so dass die Abgase über die hintere Oberseite ausgestoßen werden. Das Tragflächenprofil ähnelt im Aussehen dem Kanalgebläse-Array des eVTOL Lilium Jet, mit der Ausnahme, dass Lilium seine Kanäle an der dünnen Hinterkante seiner Flügel integriert, was laut Whisper Aero im Vergleich zu einer Vorderkantenintegration einige aerodynamische und geräuschtechnische Herausforderungen mit sich bringt.

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Ähnlich verteilte Anordnungen offener Propeller, wie sie im LEAPTech-Konzept der NASA verwendet wurden, leiden aufgrund von Propellerwirbeleffekten unter einem hohen induzierten Widerstand – einem Widerstand, der aus dem Auftrieb resultiert. Der X-57-Maxwell-Demonstrator der NASA überwindet dieses Problem, indem er separate langsame Auftriebsverstärkungs- und Reiseantriebssysteme verwendet, allerdings auf Kosten eines höheren Gewichts. (Moore fungierte während seiner Zeit bei der Agentur als Hauptermittler für beide Projekte.)

Whisper Aero sagte, dass seine Düsenblätter den induzierten Widerstand im Zusammenhang mit Wirbeleffekten vermeiden, da die Abgase der Kanalventilatoren mit einem Stator entwirbelt und zu einem durchgehenden Düsenblatt zusammengeführt werden. Gleichzeitig wird der parasitäre Widerstand – der Widerstand, der durch die Bewegung des Flugzeugs durch die Luft entsteht – durch die kompakte Form des Tragflächenprofils minimiert. Dadurch verringert sich die der Luft ausgesetzte Gesamtfläche im Vergleich zu einem Flügel ohne Antrieb oder getrennten Kanälen und Flügel.

Das Tragflächenprofil ist außerdem so konzipiert, dass es den Lärm minimiert. Die Aufnahme von Turbulenzen in die Lüfter, die eine Lärmquelle darstellen, wird durch die Integration der EDFs in die Vorderkante des Flügels reduziert, bevor die Grenzschicht Zeit hat, sich zu verdicken. Das Strahlmischgeräusch, das durch Turbulenzen entsteht, die durch die Vermischung eines Hochgeschwindigkeits-Windstroms mit sich langsamer bewegender Umgebungsluft entstehen, wird durch die stark verteilte Konfiguration des Strahlprofils und den einfachen 2D-Auslass mit variabler Fläche verbessert. Die Absaugung über der oberen Flügeloberfläche trägt auch dazu bei, Bodenbeobachter vor Strahlmischungsgeräuschen zu schützen.

Das Tragflächenprofil stellt jedoch einige Herausforderungen für die Flugzeugintegration dar, angefangen bei dem starken Abwindfeld, das durch den vom Strahlblatt abgelenkten Schub beim Start und bei der Landung bei langsamen Flügen erzeugt wird. Dieser starke Abwind würde dazu führen, dass ein herkömmliches horizontales Heck große negative Anstellwinkel erfährt. Um dieses Problem beim Whisper Jet zu lösen, wählten seine Konstrukteure eine etablierte, aber weniger bekannte Konfiguration: das Außenbord-Horizontalleitwerk (OHT), das während des Zweiten Weltkriegs vom deutschen Flugzeughersteller Blohm & Voss entwickelt wurde.

Der OHT, der kürzlich für das SpaceShipOne von Scaled Composite eingesetzt wurde, ist eine Art Nurflügler, bei dem die Spitzen des Flügels über Ausleger nach hinten verschoben werden, um eine bessere Nickkontrolle und Dämpfung zu erreichen. Dadurch werden die Heckflächen aus dem Abwind-Strömungsfeld des Flügels in die Aufwind-Strömungsfelder des Flügelspitzenwirbels bewegt, wo sie für Vorwärtsschub und Auftrieb sorgen. Obwohl die Leitwerke größere Torsions- oder Torsionskräfte auf die Flügelspitzen ausüben, erhöht das durch die Integration des Jetfoils erzeugte höhere Verhältnis von Dicke zu Flügeltiefe die Torsionssteifigkeit des Flügels. Die Verteilung eines Teils der Batteriemasse eines Elektroflugzeugs auf die Flügelspitzenausleger sollte dazu beitragen, Probleme mit dem Flügelheckflattern zu vermeiden.

Laut Whisper Aero hat SpaceShipOne gezeigt, dass für die OHT-Konfiguration kein Fly-by-Wire-Steuerungssystem erforderlich ist, obwohl die Steuerungssystemverbindung für die Leitwerke komplexer ist als bei einem herkömmlichen Leitwerksdesign. Auch die verteilten Antriebe von Whisper Aero erfordern kein Fly-by-Wire-System in der Whisper Jet-Integration, da ein einziger Gassteuerungseingang an alle gesendet wird. Dadurch kann das Flugzeug ein vereinfachtes FADEC-System (Dual Full Authority Digital Engine Control) verwenden, was die Entwicklungszeit und -kosten im Vergleich zu Fly-by-Wire-Flugzeugen wie der Eviation Alice und den vielen elektrischen Senkrechtstartern erheblich reduzieren dürfte Landungsflugzeuge befinden sich derzeit in der Entwicklung.

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Whisper Aero hat den Whisper Jet als Hybrid-Elektroflugzeug mit neun Passagieren konzipiert, bei dem der Hybrid-Range-Extender hauptsächlich zur Erfüllung der Reserveanforderungen gemäß Instrumentenflugregeln eingesetzt wird. Das maximale Startgewicht für das Teil-23-Flugzeug ist absichtlich auf 12.500 Pfund festgelegt, das maximal zulässige Gewicht für den Betrieb mit einem Piloten. Anhand der Spezifikationen für Cubergs kürzlich angekündigte Lithium-Metall-Batteriepakete, die eine spezifische Energie auf Paketebene von 280 Wattstunden pro Kilogramm versprechen, prognostiziert Whisper Aero, dass der Whisper Jet allein mit Batterien zwischen 161 und 193 Meilen fliegen kann Nutzlast von 2.400 Pfund. Die Nutzung des Turbogenerators, der auf einem proprietären Direktantriebs-Hybridsystem basiert, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, würde die Reichweite auf 432 bis 464 Meilen erhöhen.

Und diese Distanz wird es schnell zurücklegen. Die EDFs von Whisper Aero verfügen über eine hohe Antriebseffizienz bei Geschwindigkeiten von 200 bis 400 Knoten, was es dem Whisper Jet ermöglicht, eine maximale Reisegeschwindigkeit von 250 Knoten anzustreben und gleichzeitig eine Strömungsabrissgeschwindigkeit von nur 61 Knoten beizubehalten. Hohe Geschwindigkeiten in drucklosen Reiseflughöhen von etwa 10.000 Fuß sind von zentraler Bedeutung für Whisper Aeros Geschäftsmodell für den Whisper Jet (siehe Begleitartikel).

Whisper Aero argumentiert, dass es im Allgemeinen nicht nötig sei, für die regionale Luftmobilitätsmission in größeren Höhen zu fliegen, und dass der Wegfall der Druckbeaufschlagung den Anschaffungspreis des Whisper Jet um etwa 10 % reduziere. Aber höhere Geschwindigkeiten und Höhen sind technisch machbar und werden mit der Verbesserung der Batterietechnologie sinnvoller. In diesem Sinne betrachtet Whisper Aero RAM als kurzfristigen Inkubator für die elektrische Hochgeschwindigkeitsluftfahrt und als Vorläufer für die spätere Entwicklung größerer Part-25-Flugzeuge ab Mitte der 2030er Jahre.

„Hier geht es nicht nur um Kleinflugzeuge“, sagte Mark Moore gegenüber TAC. „Hier geht es darum, diese Technologie in den nächsten 20 Jahren zu testen und in jedem einzelnen kommerziellen Transport zu finden.“

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