Ist eine Starthilfe für Elektroflugzeuge sinnvoll?

Ein Katapultstart ist für Elektroflugzeuge proportional sinnvoller. Proportional zu ihrer geringeren Reichweite und Geschwindigkeit.

Mit aktueller Akkutechnologie sind nur kurze Flüge mit geringer Geschwindigkeit machbar. Das Beste, worauf man hoffen kann, ist, ein Flugzeug vom Typ GA für vielleicht 250 nm bei 90 KTAS zu fliegen, wenn die Batterien ⅓ des gesamten Flugzeugs wiegen. Dafür geht die Antwort von @Finbar Sheehy von einer Energiedichte von 250 Wh/kg der Batterien und einer Entladung auf 75 % der Kapazität aus, damit wir die Batterie nicht missbrauchen.

Nehmen wir nun weiter an, dass der Start dem Flugzeug die gesamte Beschleunigung auf die Reisegeschwindigkeit verleiht, die 46,3 m/s in metrischen Einheiten beträgt. Wie viel der gesamten verbrauchten Energie, also 0,75$\cdot$250/3 = 62,5 Wh pro kg Flugzeugmasse, oder? Die kinetische Energie, die der Start liefert, beträgt 0,5$\cdot$46,3² = 1072 Ws pro kg oder 0,2977 Wh pro kg Flugzeugmasse. Dies entspricht 0,0047637556 oder 0,476 % der Auslöseenergie.

Das ist schon ein ganzes Stück besser als die 0,1385 %, die die kalkulierte Ersparnis für ein Verkehrsflugzeug waren, aber wiederum nicht genug, um für ein Katapult überzeugend zu sein. Der Einsatz eines Katapults würde nur so viel Energie sparen wie das Zurücklegen von 1,19 sm bei 90 Knoten. Das könnten 2 sm werden, wenn die Propeller als Windmühlen und der Motor als Generator genutzt werden, wenn die Batterien nicht schon beim Start voll wären. Die effizientesten Motoren sind jedoch schlechte Generatoren.

Was mögliche Einsparungen bei der installierten Leistung angeht: Elektromotoren bieten für den Kurzzeitbetrieb ein viel größeres Vielfaches ihrer Nennleistung – so ist schließlich Teslas „Wahnsinnsmodus“ möglich. Daher ist es sehr unwahrscheinlich, dass große Einsparungen am Motor möglich sind. Dasselbe gilt übrigens bereits für Verkehrsflugzeuge: Auch sie fliegen mit oder nahe ihrer maximalen Nennleistung , um so hoch zu fliegen, und werden beim Katapultstart nicht mit kleineren Triebwerken auskommen. Die einzigen Einsparungen werden in der Länge der Start- und Landebahnen liegen – wenn wir also einen Weg finden, den Start- und Landebahnbedarf für Landungen zu reduzieren.

Wenn ein vertikaler Start wie beim GL-10-Demonstrator (auf den die Frage verweist) erwünscht ist, muss die installierte Leistung ungefähr dreimal so groß sein wie die für einen horizontalen Start erforderliche. Jetzt muss das Design Propeller und Motoren hinzufügen, die für den Rest des Fluges ein Eigengewicht darstellen – außer wenn auch eine vertikale Landung gewünscht wird. Es ist sinnvoll, beides zu haben (vertikaler Start und Landung), sodass die Verwendung eines Katapults die zusätzlichen Propeller und Motoren in den meisten praktischen Fällen nicht vermeiden wird. Die Verwendung eines Katapults fügt extreme Beschleunigungen hinzu, wenn die Startstrecke kurz gehalten werden soll. Dies wird Trägheitslasten hinzufügen, die eine verstärkte Struktur erfordern, und wiederum erhalten wir einen Kompromiss, der die möglichen Einsparungen auf unbedeutende Zahlen reduziert.

Als die Buzz Bomb V-1 entwickelt wurde, führten die ersten Dutzend Starts zu vielen Abstürzen. Da die V-1 unbemannt war und die Testgegenstände bei den Abstürzen zerstört wurden, war es äußerst schwierig herauszufinden, was vor 70 Jahren mit der primitiven Instrumentierung und Telemetrie passiert war. Am Ende wurde festgestellt, dass die Beschleunigung auf der dampfbetriebenen Rampe dazu führte, dass sich die Flügelbefestigungen verformten und der V-1 unkontrollierbar wurde, sobald er die Rampe verließ. Es ist nicht praktikabel, menschliche Passagiere solchen Lasten auszusetzen, daher hilft ein Katapult nicht wirklich, wenn ein nahezu senkrechter Start erwünscht ist.

Ja, für treibstoffbasierte Flugzeuge und für elektrische Flugzeuge. Je höher das MTOW, desto größer der Nutzen.

Dieser Artikel plädiert für die Installation von Katapulten auf Start- und Landebahnen für Verkehrsflugzeuge: Die Triebwerke sind für den Start dimensioniert, und ein unterstützter Start bedeutet leichtere Triebwerke mit den damit verbundenen Kraftstoffeinsparungen. Der Start stellt besondere Anforderungen an die Kraftanlage, da sie aus dem Stillstand eine Hubgeschwindigkeit erreichen muss.

Weitere leistungshungrige Flugetappen:

• TOGA für Durchstarten wird angewendet, wenn sich das Flugzeug in Anfluggeschwindigkeit befindet. Je mehr desto besser natürlich - aber warum sollte die GA-Leistung die maximale TO-Leistung für die höchste Nutzlast aller Zeiten sein, am heißesten Tag aller Zeiten, auf der kürzesten Landebahn aller Zeiten. Dafür sind die Motoren ausgelegt. Aus dem Wikipedia-Artikel :

  ..dann steigern sich die Triebwerke auf ihre errechnete Startleistung. Moderne Computer für das Flugmanagement von Flugzeugen bestimmen die Leistung, die die Triebwerke zum Abheben benötigen, basierend auf einer Reihe von Faktoren wie Landebahnlänge, Windgeschwindigkeit, Temperatur und vor allem dem Gewicht des Flugzeugs.

• Steigleistung wird nach TO eingestellt: Nach TO wird eine niedrigere Schub-/Leistungseinstellung ausgewählt. Bei Erreichen der Reiseflughöhe wird die Schub-/Leistungseinstellung weiter reduziert. Die Triebwerke wären also für die Steigphase dimensioniert.

Flugzeuge, die nach 14CFR Teil 25 zertifiziert sind, müssen nach einem einzigen Triebwerksausfall in der Lage sein, zu steigen$V_1$: zweimotorige Luftfahrzeuge werden für diesen Fall dimensioniert, wenn die Abschussvorrichtung das Luftfahrzeug auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, wie z$V_4$Es wird immer noch eine Einsparung an Motorgröße geben.

Ein Dampfkatapult wird den Trick machen, oder eine der Optionen, die OP angibt. Natürlich sollte die Startstrecke nicht die paar Meter betragen, die ein Flugzeugträger zulässt, sondern länger sein, um die Beschleunigungen zu begrenzen, denen die Struktur ausgesetzt ist.