Projekt ETHAN: Testprüfstand CHESCO erreicht mit dem Projekt ETHAN wichtige Meilensteine

Neue Prüf- und Testinfrastruktur für elektrische Flugantriebe erfolgreich in Betrieb genommen

Im Forschungsprojekt ETHAN hat chesco wichtige Meilensteine bei der Entwicklung und Erprobung einer hochmodernen Prüf- und Testinfrastruktur für elektrische Flugantriebe erreicht. Die neue Infrastruktur wurde erfolgreich in Betrieb genommen und hat in umfangreichen Versuchsreihen ihre Leistungsfähigkeit unter realitätsnahen Bedingungen unter Beweis gestellt.

Mit der Inbetriebnahme der ersten vier von insgesamt acht elektrischen Testachsen steht nun eine leistungsfähige Infrastruktur zur Verfügung, mit der elektrische Flugantriebssysteme unter realitätsnahen Betriebs-, Belastungs- und Fehlerszenarien untersucht werden können. Ziel ist es, zentrale Voraussetzungen für sichere und zuverlässige elektrische Antriebssysteme für zukünftige Luftfahrzeuge zu schaffen.
 

Erfolgreicher „First Turn“ mit 1.450 Umdrehungen pro Minute
 

Den Auftakt bildete die erfolgreiche Inbetriebnahme der neuen Prüf- und Testinfrastruktur mit einem ersten „First Turn“. Dabei wurde zunächst ein Flugmotor unter realen Betriebsbedingungen getestet. Das System erreichte eine Drehzahl von 1.450 Umdrehungen pro Minute.

Im weiteren Verlauf der Erprobung konnten die maximalen Werte der bisher getesteten Antriebssysteme mehrfach nachgewiesen werden: Die Testsysteme erreichten wiederholt bis zu 1.450 Umdrehungen pro Minute und 1.560 Newtonmeter Drehmoment. Das Drehmoment beschreibt dabei die Kraft, mit der der Antrieb seine Welle antreibt.

Unterschiedlichen Drehzahlen effizient zu betreiben, eröffnet neue Gestaltungsspielräume für Propeller und Antriebssysteme.

Die bei ETHAN getesteten 1.450 Umdrehungen pro Minute sind deshalb nicht isoliert als „hoch“ oder „niedrig“ zu bewerten. Für einen elektrischen Flugantrieb mit entsprechend großem Propeller können solche Drehzahlen sehr gut geeignet sein. Gleichzeitig muss ein Prüfstand deutlich höhere Drehzahlen und Drehmomente beherrschen, damit auch zukünftige Antriebskonzepte mit unterschiedlichen Propeller- und Motorkonfigurationen untersucht werden können.

Mehr als 35 Tests und über 150 Stunden Testbetrieb
 

Seit der Inbetriebnahme wurden bereits mehr als 35 Tests mit einer Gesamt-Testlaufzeit von über 150 Stunden durchgeführt. Dabei kamen insgesamt vier unterschiedliche Motoren zum Einsatz. Erprobt wurden verschiedene elektrische Flugantriebssysteme und unterschiedliche Betriebsarten.

Im sogenannten Passive Mode wird der zu untersuchende Flugmotor durch eine herkömmliche Antriebsmaschine, den sogenannten Dyno, angetrieben. Im Active Mode treibt dagegen der Prüfling selbst den Dyno an. Dieser kann über dynamisch erzeugte Gegenkräfte unterschiedliche Propellerkräfte und damit verschiedene Belastungssituationen im Flug simulieren.

Die Tests wurden zunächst auf einzelnen Prüfständen durchgeführt und anschließend auf mehrere Prüflinge ausgeweitet. Damit konnte der Betrieb von vier Motoren parallel erfolgreich nachgewiesen werden.

Hochpräzise Messtechnik mit mehr als 500 Messstellen
 

Eine wesentliche Voraussetzung für die Versuche war die vollständige Inbetriebnahme der umfangreichen Mess- und Kühlinfrastruktur. Das Messsystem verfügt über mehr als 500 Messstellen und ermöglicht Abtastraten von bis zu 5 Megahertz. Erfasst werden unter anderem Temperaturen, Drücke sowie elektrische Ströme und Spannungen.

Damit können auch sehr schnelle Vorgänge innerhalb des elektrischen Antriebssystems detailliert aufgezeichnet und analysiert werden. Die umfangreiche Datenerfassung bildet eine wichtige Grundlage für die Bewertung des Systemverhaltens und die Weiterentwicklung zukünftiger elektrischer Flugantriebe.

Parallel dazu wurde die Primär- und Sekundärkühlung erfolgreich in Betrieb genommen. In der Primärkühlung zirkuliert Öl und führt die Wärme direkt von besonders beanspruchten Komponenten ab. Die Sekundärkühlung nutzt Wasser, um die aufgenommene Wärme aus dem Ölkreislauf weiter abzutransportieren. Das zweistufige Kühlsystem ermöglicht einen zuverlässigen Dauerbetrieb und schützt die Komponenten vor Überhitzung.

Realitätsnahe Simulation von Flugbedingungen
 

Herzstück der neuen Prüfstände ist ein modernes Steuerungs- und Automatisierungssystem. Es ermöglicht sowohl vollautomatisierte standardisierte Testabläufe als auch manuelle Versuche für spezielle Fragestellungen aus Forschung und Entwicklung.

Auf dieser Grundlage können unter anderem Flugzyklen, also typische Belastungsprofile verschiedener Flugphasen, simuliert werden. Hinzu kommen Batteriesimulationen sowie kontrollierte elektrische Fehlerszenarien auf Gleich- und Wechselspannungsseite.

Die Prüfstände sind dabei galvanisch voneinander getrennt. Die einzelnen Stromkreise sind elektrisch isoliert, was sowohl zur Sicherheit des Systems als auch zur Stabilität und Qualität der Messungen beiträgt. Zusätzlich verfügt die Infrastruktur über getrennte Erdungskonzepte für die Prüfgeräte und die Flugmotoren, die an die entsprechende Flugzeugerde angeschlossen werden können.

Elf elektrische Fehlerszenarien erfolgreich erprobt
 

Ein besonderer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Untersuchung der funktionalen Sicherheit elektrischer Flugantriebssysteme. Im Rahmen der bisherigen Tests wurden elf unterschiedliche elektrische Fehlerszenarien gezielt in ein drehendes Flugantriebssystem eingebracht.

Dazu gehörten unter anderem kontrollierte Kurzschlüsse auf Gleich- und Wechselspannungsseite sowie Fehler in elektrischen Phasen. Mit diesen speziell entwickelten Testmöglichkeiten lassen sich Fehlerzustände untersuchen, die in dieser Form bislang nur sehr eingeschränkt unter realitätsnahen Bedingungen im Labor getestet werden konnten.

Ziel der Versuche ist es, das Verhalten des Gesamtsystems bei kritischen elektrischen Fehlern zu untersuchen und nachzuweisen, dass ein Antriebssystem Fehler sicher erkennt und beherrscht. Im Idealfall schaltet sich ein betroffener Antrieb kontrolliert ab, während andere Antriebe weiterhin sicher betrieben werden können. Damit soll eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen werden, dass ein Luftfahrzeug auch bei einzelnen Antriebsfehlern sicher weiterfliegen und landen kann.

Bis zu acht elektrische Flugantriebe im Verbund
 

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme von vier der insgesamt acht vorgesehenen Testachsen ist ein wesentlicher Projektmeilenstein erreicht. Die vier aktuell verfügbaren Prüfstände können sowohl einzeln als auch simultan als Gesamtsystem betrieben werden.

Im September und Oktober 2026 sollen die weiteren vier elektrischen Antriebsstränge in Betrieb genommen werden. Auch diese Prüfstände werden für Flugzyklustests, Batteriesimulationen und gezielte elektrische Fehlertests ausgelegt.

Nach Abschluss dieser Erweiterung wird die Infrastruktur in der Lage sein, bis zu acht elektrische Flugmotoren beziehungsweise Antriebsstränge gleichzeitig im Verbund zu testen und dabei unterschiedliche Betriebs-, Flug- und Fehlerszenarien zu simulieren.

Damit entsteht bei chesco eine in dieser Form einzigartige, leistungsfähige Testumgebung, mit der perspektivisch ein vollständiges elektrisches Antriebssystem eines Urban-Air-Mobility-Luftfahrzeugs (UAM) unter realitätsnahen Bedingungen untersucht und simuliert werden kann.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit als Grundlage des Projekterfolgs
 

ETHAN wird in einem interdisziplinären Verbund umgesetzt. Beteiligt sind chesco ZWE, die Brandenburgische Technische Universität (BTU) und die CHESCO GmbH. Ergänzend werden externe Spezialisten, darunter die Technische Hochschule Wildau (TH Wildau) und die RENK Test System GmbH, beratend und mit ihrer spezifischen Expertise eingebunden.

Die Projektkoordination erfolgt nach der agilen Scrum-Methode. Dadurch können Inbetriebnahmen, technische Anpassungen und neue Anforderungen aus den laufenden Testkampagnen schnell aufgenommen und gemeinsam umgesetzt werden.

„Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der ersten vier Testachsen haben wir einen entscheidenden Schritt von der Entwicklung hin zum realitätsnahen Systemtest gemacht. Besonders die Kombination aus dynamischen Fluglastsimulationen, hochauflösender Messtechnik und gezielt einbringbaren elektrischen Fehlerszenarien eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung und Absicherung elektrischer Flugantriebe“, so der Projektleiter von ETHAN.

Mit der geplanten Erweiterung auf acht Testachsen soll diese Fähigkeit in den kommenden Monaten weiter ausgebaut werden. Damit schafft ETHAN die Voraussetzungen, elektrische Antriebssysteme nicht nur als Einzelkomponenten, sondern als integriertes, mehrmotoriges Gesamtsystem unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen – und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung sicherer elektrischer Luftfahrttechnologien.

Warum hohe Drehzahlen in der Luftfahrt nicht immer das Ziel sind
 

Die erreichten Werte sind insbesondere vor dem Hintergrund der besonderen Anforderungen elektrischer Luftfahrtantriebe einzuordnen. Anders als bei vielen Anwendungen im Automobilbereich ist bei einem elektrischen Flugzeugantrieb nicht zwangsläufig eine möglichst hohe Drehzahl das Ziel. Entscheidend ist vielmehr, wie effizient die elektrische Leistung in Schub beziehungsweise Vortrieb umgesetzt wird.

Bei propellergetriebenen Luftfahrzeugen beeinflusst die Drehzahl unmittelbar die Geschwindigkeit der Propellerblätter. Mit steigender Drehzahl nimmt damit auch die Geschwindigkeit an den Propellerspitzen zu. Zu hohe Spitzengeschwindigkeiten können zu höheren aerodynamischen Verlusten und Geräuschemissionen führen. Deshalb kann es für bestimmte Luftfahrtanwendungen sinnvoll sein, einen Propeller mit relativ niedriger Drehzahl und entsprechend höherem Drehmoment zu betreiben.

Genau hier liegt eine besondere Stärke elektrischer Antriebe: Elektromotoren können ihr Drehmoment sehr flexibel über einen großen Drehzahlbereich bereitstellen. Dadurch besteht die Möglichkeit, Motor und Propeller gezielt auf den jeweiligen Flugzustand auszulegen und beispielsweise bei Start und Steigflug andere Betriebspunkte zu nutzen als im Reiseflug. 

Testkapazität der elektrischen Testumgebung in CHESCO: 
 

Die Leistungsfähigkeit der neuen Prüfstands Infrastruktur geht dabei deutlich über die bislang im Rahmen der ersten Testkampagnen erreichten Betriebspunkte hinaus. Jede der insgesamt acht Prüfmaschinen ist für bis zu 610 Kilowatt Leistung, 5.000 Newtonmeter Drehmoment und 3.300 Umdrehungen pro Minute ausgelegt.

Damit deckt die Infrastruktur einen großen technischen Entwicklungsbereich zukünftiger elektrischer Flug- und Antriebssysteme ab. Die drei Werte sind dabei als maximale Auslegungsgrenzen der Prüfmaschinen zu verstehen und nicht als ein gleichzeitig fahrbarer Betriebspunkt. Je nach Drehzahl und Drehmoment steht eine entsprechend unterschiedliche mechanische Leistung zur Verfügung.

Das ermöglicht es, sowohl Antriebe mit hoher Drehzahl als auch Konzepte mit niedrigerer Drehzahl und hohem Drehmoment realitätsnah zu untersuchen. Gerade für die Luftfahrt ist diese Flexibilität entscheidend, da unterschiedliche Flugzeugkonzepte – vom einzelnen Propellerantrieb bis hin zu verteilten elektrischen Antriebssystemen – sehr unterschiedliche Anforderungen an Drehzahl, Drehmoment und Leistung stellen.

Die Prüfstände sind damit nicht auf einen einzelnen Motortyp oder ein bestimmtes Flugzeugkonzept beschränkt. Vielmehr bilden sie einen Entwicklungsraum ab, in dem zukünftige elektrische Antriebssysteme hinsichtlich Leistung, Dynamik, Effizienz und Betriebssicherheit untersucht werden

Testumgebung Kapazität

• 8 Testachsen im Gleichen Aufbau mit identischen Betriebspunkten für den simultanen Betrieb von bis zu 8 Prüflingen (elektrischen Antriebssystem)
• Nom / Max Power: 344 / 610 kW
• Nom / Max Torque: 2860 / 5000 Nm
• Nom Max Speed: 1150 / 3300 rpm
• Galvanik isolierte Komponenten der gesamten elektrischen Testmaschine
• Messtechnik mit Abtastraten von 1kHz bis 1 MHz
• Derzeitige maximale Prüflings Abmaße
  • Durchmesser: 850mm
  • Länge: 1000mm

Für weitere Informationen zum Projekt ETHAN besuchen Sie unsere Website unter folgendem Link