Future Trends in Aircraft Energy and Propulsion Systems

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1 Future Trends in Aircraft Energy and Propulsion Systems ICAS September /

2 ENERGY AND PROPULSION : THE DRIVERS MOBILITY SUSTAINABILITY A WORLD IN MOTION 9 BILLION PEOPLE ECONOMY 1 /

3 TWO MAIN FUNCTIONAL CHAINS ON AN AIRCRAFT Generate and Share Information Produce, Transform and Dispatch Energy Mission management Nav, com Piloting and configuration mastering Flight controls, landing gear,, anti-ice ECS passenger comfort IFE, Internet Energy Production Management Fuel, Engines, Generators, Distribution 2 /

4 THE DOMINANT DESIGN We have been optimizing the same architectures for 50 years Airliners : Tube + wing + 2 or 4 turbofans below wing 1947 B B A A B777 Helicopters : turboshaft + mechanical transmissions 2009 B A Alouette III 1974 AS EC145 The associated systems have solidified within ATA 2009 EC175 3 /

5 WE ARE REACHING THE LIMITS Ideal 80 h prop % CFM56 LEAP UHBR CROR Installed h therm % CFM56 LEAP UHBR Bypass Ratio Overall Pressure Ratio 4 /

6 ADDRESSING THE WHOLE ENERGY CHAIN Aircraft As An Energy System Aircraft Propulsive Integration Primary Energy Source Jet A and alternatives Hydrogen Electric storage Primary Energy Transformation Gas turbine Electric Assistance Non-Brayton Full Electric UHBR, Open Rotor Buried Distributed Energy Life Cycle Bleed/ No Bleed Thermal Integration Non-Propulsive Energy Systems The More Electric Aircraft Economy Environmental impact 5 /

7 Fuel Burn Improvement PROPULSION TRENDS Aircraft engines Helicopter Propulsion -10% Reference Fuel Burn 500Nm /CFM56-5B/P EIS 2016 EIS 2020 (LEAP-1) (Improved LEAP) -20% -30% (10-16) EIS % EIS 2030 «Ultimate Green Engine» EIS % /

8 KEY PROPULSION ISSUES Turbofans, Open Rotor Materials : High temperatures, low density for large engines CFD Turbomachinery efficiency and emissions limits Integration : Size, drag, thin nacelle, thermal management, equipments relocation in core zone Advanced Metallic HPT Blade Ultra-Low NOx Combustor Composite Fan Blade 3D Optimized Compressor CMC LPT Blade Hybrid propulsion Maturity of Electrical Technlogies : battery energy density, power electronics cooling Power Sharing and Management Airframer vs. Propulsion System Supplier perimeters Non-Brayton cycles Injection & combustion chamber technologies Integration into an engine that produces thrust Experimental CVC chamber Engine Integration 7 /

9 AIRCRAFT AS AN ENERGY SYSTEM The Bleed / Non-Bleed Issue ECS : constant energy load, second most important energy need Bleed air is a burden on propulsive optimization Clean cabin air issues Need to assess the benefit of bleedless architectures on shortmedium range Open the door to innovative non-propulsive generation architectures involving turbo APUs, piston engines, fuel cells More Electrical Aircraft Safran has created Labinal Power Systems Range of Electrical Applications & Equipments Mass of wiring = mass of all other electrical components Need for global electrical optimization EGTS EBAC ETRAS 8 /

10 EVOLUTION OF SYSTEMS CONFIGURATION Grid Loads Electrical GENerators GEN Loads Electrical distribution cabinet load load GEN Electrical distribution cabinet Power electronics Distributed Electrical sources Power center Power center Multiple Electrical Generators Load-dedicated Power Electronics or limited mutualization Distributed Electrical Sources Multifunction Power Centers Reconfigurable distribution grid Standard «sliced» Power electronics 9 /

11 EVOLUTION OF HYBRID PROPULSION VISION PROPULSIVE (PE) AND NON PROPULSIVE (NPE) ENERGIES ? PE 95% / NPE 5% No Hybridization PE Elec. Eng. Internal hybrid propulsion Elec. Eng. Propulsion External hybrid propulsion EP électrique (Supraconductivity? Nuclear low-energy?) Segregated NPE Decentralized NPE sources (batteries, fuel cells) Decentralized NPE sources NPE Harvesting Harvesting load load load load load 10 /

12 ENERGY LIFE CYCLE Renewable Hydrocarbons Key for the coming decades Truly Sustainable Low environmental impact Low energy processing Total Amyris : bio-transformation SBRC : Sea water irrigation of Halophytes (salt-compatible plants like Salicornia) Hydrogen Probably not an engine issue (see space applications) LH2 : Energy Volume Density is an issue for massive use (LH2 density similar to table tennis balls) Logistics for massive aviation supply not easy High pressure gas or solid storage may be envisioned for limited energy needs (galleys, emergency functions) AMYRIS SBRC Need to model the full cycle Herakles Solid H2 Generator 11 /

13 CONCLUSION Gas turbines will remain at the heart of propulsive energy for the decades to come Integration issues more and more critical Electric assistance (hybridization) will play a significant role Aircraft will be more and more optimized as a global energy system Bleed/Non Bleed continues to be investigated Electrical Technologies will generalize on non-propulsive functions Electrical network (generation, distribution incl. wiring) offers optimization opportunities Renewable Hydrocarbons will play a significant role, complemented by targeted hydrogen primary source usage The dialogue between the Airframer and Equipment Supplier is more crucial than ever More advances needed in applied physics and systems research 12 /

14 13 /

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