VPH-Tank
Das Projekt VPH-Tank widmet sich dem Aufbau einer Simulationskette zur Kopplung thermodynamischer und thermomechanischer Effekte bei der Befüllung von kryogenen Flüssigwasserstofftanks. Ziel ist es, die strukturellen Auswirkungen der Befüllung auf Ebene der CFK-Lagen (Ply-Ebene) zu bewerten. Darüber hinaus werden optimierte Betankungsstrategien für Wasserstoff-Flugzeuge und Raketen ermittelt. Am Projekt beteiligt sind Technia (Framework), TOPAS (Optimierung), das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme (Thermodynamik) sowie das DLR-Institut für Systemleichtbau (Thermomechanik).
Das Projekt läuft vom 01.11.2025 bis zum 31.10.2027. Beteiligt sind Technia (ECOMAT Bremen), TOPAS Industriemathematik sowie das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme und das DLR-Institut für Systemleichtbau.
Der Schwerpunkt des Projekts liegt im Aufbau einer Simulationskette zur Bewertung struktureller Effekte bei der Befüllung kryogener CFK-Tanks für Wasserstoff-Flugzeuge und Raketen. Dabei steht die Untersuchung von CFK-Tanks im Fokus, die nach der für Tanks relativ neuen Methode des „Automated Fiber Placement“ (AFP) gefertigt werden. Bei der Befüllung kommt es zu einer relativ schnellen Abkühlung. Das CFK-Material zieht sich durch die Kühlung zusammen, wodurch thermomechanische Spannungen entstehen.
Die Simulationskette besteht im Kern aus einem thermodynamischen und einem thermomechanischen Modell, die miteinander gekoppelt sind. Mit dem thermodynamischen Modell lassen sich Prozesse während der Befüllung simulieren, wie beispielsweise die Verdampfung und Kondensation von Wasserstoff. Ein zentrales Ergebnis ist die örtlich diskretisierte Wärmestromdichte durch die Tank Wand.
Die Wärmestromdichte dient als Eingangsparameter für das thermomechanische Modell. Dort wird basierend auf dem Wärmestrom eine Temperaturverteilung auf Ply-Ebene berechnet, woraus sich der resultierende Spannungszustand auf der Ply-Ebene ableiten lässt. Da die Simulationskette transient (zeitabhängig) ausgelegt ist, werden Spannungszustände kontinuierlich über die Dauer der Befüllung berechnet. Die Spannungszustände ermöglichen es einem Optimierer, den Massenstrom der Betankung gezielt anzupassen. Ein typisches Ziel ist es dabei, den Tank so schnell wie möglich zu befüllen – unter der Randbedingung, dass die Tankstruktur langfristig keinen Schaden nimmt. Dies ist relevant, um die Betankungszeit zwischen Ankunft und Abflug eines Wasserstoff-Flugzeugs zu optimieren.
Der Beitrag des DLR liegt zum einen in der Bereitstellung des thermomechanischen Strukturmodells eines AFP-gefertigten Tanks. In diesem Bereich wurden bereits Vorarbeiten geleistet: Ein Modellgenerator wurde entwickelt, um automatisiert Strukturmodelle von AFP-gefertigten Tanks zu erstellen. Für VPH-Tank werden diese Modelle nun angepasst und erweitert. Eine wesentliche Erweiterung umfasst die Möglichkeit der transienten Wärmeleitung auf Ply-Ebene.
Das DLR entwickelt auch das Modell zur thermodynamischen Simulation der Tankbefüllung. Hierbei kann auf umfangreiche Erfahrung aus dem Bereich der kryogenen Raketentanks zurückgegriffen werden. Basierend auf diesem Know-how werden im Projekt thermodynamische Befüllungsmodelle speziell für Wasserstoff-Flugzeugtanks entwickelt. Darüber hinaus ist das DLR neben den fachlichen Aufgaben auch für die Projektleitung zuständig.