Numerische Simulationen des Schwappverhaltens von flüssigem Wasserstoff in Flugzeug-Wasserstofftanks

Abstract

Um die Emissionen des Luftverkehrs bis 2050 zu reduzieren, müssen neben neuen Flugzeugen auch alternative Antriebskonzepte entwickelt werden. Die Verbrennung von Wasserstoff oder der Einsatz einer Brennstoffzelle ist aufgrund des Abfallproduktes Wasser eine vielversprechende und umweltfreundliche Option. Für einen erfolgreichen Einsatz von flüssigem Wasserstoff in der Luftfahrt sind jedoch noch viele Fragen zu klären, unter anderem zur Sicherheit bei der Speicherung, zur Machbarkeit des Wasserstoffantriebs, zur Infrastruktur der Betankung und zu weiteren Themen. Zudem können die aktuell verwendeten Tanks, die sich bisher unter anderem in den Flugzeugtragflächen befinden, aufgrund der benötigten niedrigen Temperaturen und der dafür notwendigen dicken Isolierung nicht verwendet werden. Unabhängig von der Position des Tanks werden deutlich größere zylinderförmige Tanks zum Einsatz kommen. Dies führt dann zu zusätzlichen Fragestellungen, da sich jede Bewegung des Flugzeugs auf die Flüssigkeit entsprechend überträgt und sich durch die langen Tanks ein ungünstiges Schwappverhalten aufbauen kann. Dazu werden verschiedene im Flug auftretende Lastfälle simuliert, beispielsweise unterschiedliche Startabbrüche. Dabei werden zwei verschiedene Tanks verwendet. Beide Tanks befinden sich hinter den Passagieren im Flugzeug. Der vordere Tank ist zylindrisch, der zweite Tank verjüngt sich konisch nach hinten, um in den Rumpf zu passen. Um den Einfluss der Füllhöhe zu analysieren, werden fünf verschiedene Füllhöhen untersucht.