Optimization of filament wound cryogenic composite tanks with unconventional geometries for future aircraft configurations

Abstract

Eine vielversprechende Technologie zur Minimierung von CO2 Emissionen in der Luftfahrt ist der Einsatz flüssigen und unter kryogenen Bedingungen gespeicherten Wasserstoffs. Dieser weist allerdings zeitgleich aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte Herausforderungen in Bezug auf die Integration des Tanks im Flugzeug auf. Ein Konzept verfolgt die Integration in der hinteren konischen Rumpfsektion, was eine hohe Flexibilität der Tankgeometrie in Verbindung mit einer geringen Masse voraussetzt. Daraus leitet sich die Zielsetzung der Arbeit ab, eine bestehende Software zur Simulation des Wickelprozesses für zylindrische Tanks um konische Geometrien sowie verschiedene Domtypen zu erweitern und diese, auch im Kontext des Flugzeugdesigns, zu analysieren und zu bewerten. Basierend auf einer relativen geometrischen Parametrisierung, die die radialen und longitudinalen Dimensionen des Tanks ins Verhältnis setzt, wurde die Simulationssoftware erweitert, sowie neben halbkugelförmigen und elliptischen Domkonturen mit variablen Halbachsenverhältnissen auch torispherische und isotensoide Domformen implementiert. In einer Voranalyse wurden die beschriebenen Domtypen für zylindrische und konische Tankformen gegenübergestellt und die resultierenden Massen sowie geometrischen Dimensionen bewertet. Unabhängig von der Form des Tanks bieten isotensoide Döme den besten Kompromiss der in Betracht gezogenen Kriterien. Basierend auf diesen Erkenntnissen und den zuvor implementierten geometrischen Erweiterungen der Software wurden auf Basis eines bestehenden Flugzeugkonzepts die Auswirkungen verschiedener Tankformen untersucht. Dazu wurde die Position der Tanks im vordefinierten Designraum so variiert, dass zylindrische als auch rein konische Tankformen erstellt, ausgewertet sowie der Einfluss auf die Flugzeugmasse bewertet wurden. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass konische Tankformen, trotz der höheren Eigenmasse, aufgrund der geringeren Rumpflänge, Vorteile gegenüber zylindrischen Formen haben. Diese Erkenntnisse konnten im Ersatzmodell bestätigt werden, in dem der Einfluss der verschiedenen geometrischen Designparameter auf die Tankmasse sowie -oberfläche analysiert wurden.