Ny rekord: Arcus-slæb til 700 meter med elektrisk fly

Det elektriske forskningsfly eGenius fra Stuttgart Universitet har sat mange rekorder gennem tiden, og i 2024 blev der sat endnu en rekord: tungeste flyslæb af svævefly med et elektrisk fly nogensinde. Her er de vigtigste erfaringer.

eGenius under flyslæbstest fra flyvepladsen i Stendal under årets Idaflieg-lejr.

Tekst Jens Trabolt / Fotos: Stuttgart Universitet / Team eGenius

Link to automatic translation

Det var under flyslæbstest i juli og august 2024, at eGenius-projektet demonstrerede, at det er fuldt muligt at slæbe et tungt 750 kg-svævefly som en Arcus med vandballast i luften med et slæbefly med elektrisk drivlinje.

Da NORDIC GLIDING fløj eGenius i Stuttgart for første gang i 2015 (link til PDF) noterede vi os den bemærkelsesværdigt stabile og ikke mindst kraftige elektriske drivlinje.

Vi mistænkte hurtigt, at eGenius ville kunne fungere som slæbefly – specielt med tanke på det energieffektive design, kraftige motor og store batteri. Forsøg med dette blev dog aldrig realiseret, før nu.

Det er dog ikke første gang, at man prøver elektrisk flyslæb. Eksempelvis satte Siemens og Extra rekord i 2017 ved at slæbe en LS8 op til 700 meters højde på 76 sekunder. Slæbeflyet var dengang et stærkt modificeret aerobatic Extra 330LE med en 260 kW-elmotor og et batteri på 37 kWh. Men projektet udviklede sig ikke videre til noget praktisk anvendeligt.

Siden 2015 har eGenius været gennem flere metaformoser som forskningsplatform og har bl.a. sat flere distance- og fart-verdensrekorder både som rent elektrisk fly og med en 3-cylindret Mercedes-Smart-dieselmotor indbygget som generator til batteriet.

Flere verdensrekorder til eGenius

Med sidstnævnte hybridkonfiguration fløj teamet i sommeren 2022 2004 km med en snitfart på over 190 km/t på bare 80 liter diesel. På grund af den ekstreme distance valgte man at flyve hurtigere end fartregimet for bedste energieffektivitet, men alligevel endte forbruget på 4 l/100 km som er ekstremt lidt ved 190 km/t.

Nyt 2024-projekt

To institutter under Stuttgart Universitet, nemlig ”Institute for Aircraft Design” og ”Institute of Flight Mechanics and Controls” har nu til sæsonen 2024 ombygget eGenius med ny kraftigere EMRAX 268-motor (samme som Pipistrel Velis), ny inverter og ny 3-bladet MT-propel.

Flyet er til 2024-sæsonen monteret med ny og kraftigere EMRAX-motor samt 3-bladet MT-propel. Bemærk placering af motor/propel, som er den mest energieffektive.

Egenius under NORDIC GLIDINGs test i 2015. Bemærk den daværende 2-bladede propel og fravær af airscoop over cockpittet.

Nyt 40 kWh batterisystem

Der er desuden monteret nyt 40 kWh-batteri fra den eksterne projektpartner Air Energy (der er plads til 50 kWh plus et eventuelt fremtidigt batteri på passagersædet) i den brede fuselage som delvist stammer fra Pipistrel Taurus. Som et ekstra moment er flyet monteret med moderne elbils-standard (CCS) på ladeport. Systemet kan lade med 20 kW.

CCS-ladestandarden er blevet valgt på baggrund af en undersøgelse, hvor producenter af elektriske fly blev spurgt om deres præferencer for ladeinfrastruktur på flyvepladser. På grund af dens høje ladeeffekt og gode tilgængelighed af CCS-ladere fra adskillige producenter, forventes CCS-opladning at blive en potentiel standard i luftfart. Til fremtidige tungere fly med batterier i megawatt-timer-klassen skal man også bemærke det nyligt introducerede MCS – MegaWatt Charging System – som giver en ladeeffekt op til voldsomme 3,7 MW.

På den ombyggede eGenius er takeoff-performance kortvarigt (cirka 2 min) 110 kW, og systemet er designet til kontinuerligt at yde 80 kW.

Fordelen med det nye hardware-setup er bl.a., at man har forbedret kølingen på den elektriske drivlinje ved at beholde den gamle væskekøler fra Mercedes-Smart-motoren, hvilket giver god kontrol over temperaturerne i systemet.

Årsagen til ombygningen er ”Projekt SIFLA” hvor hovedinteressen er at undersøge mulighederne for energieffektivt elektrisk flyslæb, reduceret akustisk påvirkning (støjreduktion) og reduceret workload for slæbepiloten ved at implementere autopilot under flyslæb.

Undervejs har den eksterne partner Garrecht Avionik (også kendt som AIR Avionics) været involveret i projektet med leverance af avionics til autopilotsystemet.

Test med flyslæb i sommeren 2024 med fly af varierende vægtklasser.

Test med flyslæb

Under de tyske Akaflieg-klubbers sommertræf (Idaflieg sommertreffen) på den store flyveplads Stendal-Borstel, vest for Berlin har man i august foretaget 11 flyslæb med svævefly i varierende vægtklasser i projektet (Discus CS, Discus 2C DLR, Astir CS, ASK 13, Duo Discus T, B12 og Arcus S)

En af de første forsøg var med Astir CS på 380 kg Her loggede man 580 m på 3:45 min, hvilket svarer til middelstig på 3,0 m/s. Energiforbruget blev 4,92 kWh (svarer til 0,5 liter AVGAS). Da propellen også kan genere strøm, lykkedes det at regenerere 0,34 kWh på vej ned til landing.

Det tungeste fly, en Arcus uden motor, men med ballast til 750 kg, loggede 2,3 m/s med maks. power og 1,9 m/s som gennemsnit på hele slæbet. De 592 m slæbehøjde blev klaret på 6:08 min med et energiforbrug på 9,14 kWh (svarende til 1 liter AVGAS).

For at høre mere om detaljerne i projektet, arrangerede NORDIC GLIDING et online-møde med den 31-årige projektleder Stefan Zistler, som selv er en erfaren svæveflyvepilot med cirka 1200 timer i logbogen. Han har været ansat på projektet siden 2022 og skrev også hovedopgave om elektrisk flyslæb som student på samme universitet, så han har et godt overblik over sagerne.

”Under disse flyslæb på Stendal-Borstel fandt vi ud af, at de elektriske 50 mm² kabler i fuselagen var den begrænsende faktor. Kablerne inde i fuselagen er dimensioneret til cruise power med kontinuerligt 60 kW, og med 80 kW under flyslæb bliver kablerne bare varmere og varmere. Motor, batterier og inverter har derimod tilstrækkelig kølekapacitet til høj effekt i en forholdsvis kortvarig periode som flyslæb er”, siger han om erfaringerne.

Rekorden er 6 flyslæb med varierende vægtklasser på en dag, hvor der også blev ladet på batterierne undervejs. De høje power-krav til starten giver en naturlig nedre grænse for SOC (State of charge), hvor 30 % eller mindre er no-go for start (præcis som det gælder for elektriske SLG-typer som fx AS 33 Me, hvor selvstart er tilladt med en SOC på min. 60 %)

Som en sidenote skal det bemærkes, at NORDIC GLIDING i 2020 bestilte en artikel med en beregning fra svenske Björn Regnström, hvor opgaven var at beregne energiforbrug og opstille specifikationer for et fiktivt elektrisk slæbefly. Han kom frem til, at det ville “koste” 5,4 kWh at få et single-seater i luften (dog med 600 kg). At eGenius i virkeligheden klarer en Astir, som dog er lettere, til 700 m på 4,9 kWh, viser dog, at beregningen ikke var helt forkert.

NORDIC GLIDING har også, med udgangspunkt i flere dages trafik-mønstre fra den største klub i Norden opstillet en case for elektrisk slæb, hvor forskellige scenarier hvad angår effekt-krav og ladepauser listes op. Realistisk? Vurdér selv!

Ekstern video af forsøget med flyslæb

”Projektet inkluderede ikke noget studie af ”quick-change”-batterier”. Men det er klart, at havde man flere batteri som man kunne lade på og bytte undervejs, ville det måske give adgang til kontinuerlig operation”, funderer Stefan Zistler.

Man prøvede også flyslæb på autopilot, og det fungerede fint. Selv med ”dårlige” svævefly-piloter som med vilje ikke kunne holde position i slæbet, var eGenius på autopilot stabil og klarede at kompensere for disse dynamiske input som også gælder fx påvirkninger fra turbulens.

Testkampagnen bekræftede, at selv med nutidens batterier kan en energieffektiv elektrisk drivlinje fungere til slæbefly-operation, hvor kortvarig høj effekt og lav støj påkræves. Tilmed kan man med propel-regenerering få 5-8 % af den totale energimængde tilbage i batteriet under descent (det er meget sjældent at en Rotax-motor leverer benzin tilbage i tanken, uanset dyk-vinkel!).

Som bekendt er der enorme globale kommercielle interesser i at udvikle billige, sikre, lette og kraftige batterier, så fremtiden ser ikke mindre lys ud for dette koncept.

eGenius data
Motor: EMRAX 268 MV CC
Inverter: DTI HV-850
Propel: MT MTV-7 2.03 m
Batteri: (200 kg @ 8 x 25 kg) 400V, 40 kWh, 110 kWp
MTOM: 900 kg, OME: 720 kg
Takeoff Power: 105 kWe
Continuous Power: 70-80 kWe
Regen power: 20 kWe
Endurance: 1.5 t
Rækkevidde: 200 km
L/D: 30
Stigehastighed (solo): 7.0 m/s