DE102021110452A1

DE102021110452A1 - Fluidkryogendruckbehälter sowie Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021110452A1
Application number: DE102021110452.1A
Authority: DE
Inventors: Gilles Debril
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-10-27
Also published as: US20220340296A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Fluidkryogendruckbehälter für ein Luftfahrzeug, aufweisend: eine erste Wandschicht, welche kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff enthält, mit einer inneren Kontaktoberfläche für den Kontakt mit einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters aufzunehmenden druckbeaufschlagten fluiden Kryogen; eine zweite Wandschicht, welche an einer äußeren Oberfläche der ersten Wandschicht angeordnet ist und eine thermische Barriere aufweist; eine verschließbare Ein-/Auslassöffnung für fluides Kryogen, welche sich durch die erste und die zweite Wandschicht hindurch erstreckt; und einen in der ersten und der zweiten Wandschicht integrierten Struktureinsatz, welcher einen an der Außenseite des Fluidkryogendruckbehälters gelegenen Befestigungsstutzen zum mechanischen Koppeln des Fluidkryogendruckbehälters mit externen Strukturen aufweist; wobei der Fluidkryogendruckbehälter einen im Wesentlichen zylinderartigen Grundkörper bildet. Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Fluidkryogendruckbehälter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidkryogendruckbehälter sowie ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Fluidkryogendruckbehälter.
Herkömmliche Flugzeuge nutzen Kerosin als Energiequelle für ihren Antrieb. Alternative Antriebsarten können beispielsweise mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden, wobei dieses Fluid jedoch im Vergleich zu Kerosin unterschiedliche Aufbewahrungsanforderungen stellt.
Die konventionelle Rumpf-Flügel-Anordnung verursacht große Biegemomente in den Flügelwurzeln, da die größte Last in der Mitte beim Rumpf, und der Auftrieb aber weiter außen bei den Flügeln liegt. In diesem Punkt gründet sich die Veranlassung die Masse des Flugzeugs möglichst gleichmäßig über die Spannweite hinweg zu verteilen. Das Kerosin wird dementsprechend in den herkömmlichen Flugzeugen überwiegend in den Tragflächen aufbewahrt und von dort zu den Turbinen gefördert. Die Aufbewahrung von Wasserstoff hingegen erfordert einen großvolumigen Tank, der hohem Druck bei gleichzeitig niedrigen Temperaturen standhält sowie eine erhöhte Stoßfestigkeit zum Schutz vor Beschädigungen aufweist. Ferner erschwert die großflächige Verteilung des Treibstoffs über die Tragflächen eine ausreichende Kühlung des Treibstoffs, wie es bei Wasserstoff notwendig ist. Bestehende Flugzeugtanks können somit die Anforderungen an Wasserstofftanks für Flugzeuge nicht ohne Weiteres erfüllen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte mechanische Integrationsmöglichkeit von Hochdrucktanks für Kryogene bereitzustellen, die mit der Belastbarkeit der Flugzeugarchitektur verträglich sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Fluidkryogendruckbehälter für ein Luftfahrzeug vorgesehen. Der Fluidkryogendruckbehälter umfasst eine erste Wandschicht, welche kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff enthält, mit einer inneren Kontaktoberfläche für den Kontakt mit einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters aufzunehmenden druckbeaufschlagten fluiden Kryogen. Ferner umfasst der Fluidkryogendruckbehälter eine zweite Wandschicht, welche an einer äußeren Oberfläche der ersten Wandschicht angeordnet ist und eine thermische Barriere aufweist, sowie eine verschließbare Ein-/Auslassöffnung für fluides Kryogen, welche sich durch die erste und die zweite Wandschicht hindurch erstreckt. Darüber hinaus enthält der Fluidkryogendruckbehälter einen in der ersten und der zweiten Wandschicht integrierten Struktureinsatz, welcher einen an der Außenseite des Fluidkryogendruckbehälters gelegenen Befestigungsstutzen zum mechanischen Koppeln des Fluidkryogendruckbehälters mit externen Strukturen aufweist. Dabei bildet der Fluidkryogendruckbehälter einen im Wesentlichen zylinderartigen Grundkörper.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug vorgesehen. Das Luftfahrzeug umfasst einen erfindungsgemäßen Fluidkryogendruckbehälter und eine Außenhülle, welche den Fluidkryogendruckbehälter abschnittsweise umgibt, wobei die Außenhülle und der Befestigungsstutzen des Struktureinsatzes des Fluidkryogendruckbehälters durch ein Befestigungsmittel gekoppelt sind.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen Fluidkryogendruckbehälter bereitzustellen, der als Kryotank in Luftfahrzeugen eingesetzt werden kann, um fluide Kryogene zu speichern, die für einen emissionsarmen Antrieb des Luftfahrzeugs, beispielsweise einen Wasserstoffantrieb, benötigt werden. Dabei enthält der Fluidkryogendruckbehälter mindestens zwei Wandschichten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Die erste Wandschicht beispielsweise weist in dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff endlose Kohlefasern auf, welche mittels einer sogenannten Wickeltechnologie hergestellt werden, wobei die Kohlefasern maschinell in einem Harzbad getränkt und durch CNC-gesteuerte Maschinen auf einen rotierenden Werkzeugdorn abgelegt werden. Im Vergleich zu kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen aus Geweben können mittels der Wickeltechnologie gewickelte Bauteile ein 20 % geringeres Gewicht desselben Bauteils bei gleichen mechanischen Eigenschaften erreichen. Zusätzlich ist es durch die Wickeltechnologie möglich, die erste Wandschicht in einem Stück herzustellen, wodurch die Biegesteifigkeit des Druckbehälters erhöht wird. Die innere Kontaktoberfläche der ersten Wandschicht kann wahlweise mit Leichtmetall, insbesondere mit Aluminium ausgeschlagen sein.
Die zweite Wandschicht bewirkt durch die thermische Barriere insbesondere eine Temperierung des fluiden Kryogens, da diese in der Regel Temperaturen von unter 100 K aufweisen. Da kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ebenso thermische Isolationseigenschaften aufweist, kann die thermische Barriere sich auch über die erste und die zweite Wandschicht erstrecken oder die zweite Wandschicht zusätzlich kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff aufweisen.
Ferner kann der Fluidkryogendruckbehälter beispielsweise eine dritte Wandschicht aufweisen, welche an der ersten, der zweiten oder zwischen der ersten und der zweiten Wandschicht angeordnet ist. Dabei kann die dritte Wandschicht zum Beispiel mechanische Versteifungen, insbesondere Versteifungen aus Aluminium, und/oder textile Einlagen, insbesondere Einlagen mit Aramiden zur Steigerung des Energieaufnahmevermögens, aufweisen. Somit kann der Fluidkryogendruckbehälter widerstandsfähiger gegen von außen oder innen auftretenden Kräften und/oder gegen Beschädigungen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Wandschicht Materialien zum Schutz vor chemischen Belastungen aufweisen.
Der im Wesentlichen zylinderartige Grundkörper ist beispielsweise als Zylinder, als Kegelstumpf, als Pyramidenstumpf, als Prisma oder Kombinationen daraus ausgebildet, wobei die Stirnflächen jeweils insbesondere halbkugelartig geformt bzw. halbkugelig konvex gewölbt sind. Die Mantelfläche bezeichnet hierbei den Bereich der Oberfläche, welcher zwischen den beiden Stirnflächen angeordnet ist. D. h. die Mantelfläche ist vorzugsweise rotationssymmetrisch und erstreckt sich in Längsrichtung des Fluidkryogendruckbehälters.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters weist die thermische Barriere eine Kühleinrichtung auf, die als Rohrleitungssystem zum Fördern von Kältemitteln ausgebildet ist, so dass ein durch das Rohrleitungssystem strömendes Kältemittel eine konvektive Kühlung eines im Fluidkryogendruckbehälter aufgenommenen fluiden Kryogens bewirkt. Somit ist eine aktive Kühlung des fluiden Kryogens möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters weist die thermische Barriere eine Isolierungseinrichtung auf, die als Sandwich-Struktur mit einem Vakuum in einem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern, mit einem Schaumstoffkern oder mit einer Inertgasfüllung in dem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern zur thermischen Isolierung zwischen einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters aufgenommenen fluiden Kryogens und der Umgebung ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Temperaturleitfähigkeit der thermischen Barriere bzw. der zweiten Wandschicht reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters ist der Befestigungsstutzen an der Mantelfläche des im Wesentlichen zylinderartigen Fluidkryogendruckbehälters angeordnet ist. Somit kann der Fluidkryogendruckbehälter mit weiteren Wandstrukturen und/oder Befestigungen zur Abstützung gekoppelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters ist der Struktureinsatz in der ersten Wandschicht formschlüssig durch Überlappungen des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs integriert. Auf diese Weise werden die Kräfte und/oder Momente, die auf den Struktureinsatz wirken können, in allen Angriffsrichtungen von der ersten Wandschicht aufgenommen.
Gemäß einer Weiterbildung des Fluidkryogendruckbehälters weist die erste Wandschicht in dem Bereich, in welchem sie den Struktureinsatz überlappt, eine dickere Wandschichtstärke auf als in nicht mit dem Struktureinsatz versehenen Bereichen. Dadurch kann die mechanische Belastbarkeit der ersten Wandschicht im Bereich der Struktureinsätze erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters ist ein innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters aufgenommenes fluides Kryogen mit einem Druck von 350 bis 750 bar beaufschlagbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters ist die Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters im Querschnitt elliptisch ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters im Längsschnitt konisch ausgebildet. Auf diese Weise wird konstruktiv eine für Druckbehälter besonders geeignete Form bereitgestellt und dabei der vorhandene Bauraum optimal genutzt oder der Schwerpunkt des Fluidkryogendruckbehälters unter Berücksichtigung des vorhandenen Bauraums verschoben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluidkryogendruckbehälters weist der Befestigungsstutzen des Struktureinsatzes ein Innengewinde, eine Öse, einen Bajonettverschluss oder ein schweiß- oder klebbares Material an der Außenseite auf. Somit lassen sich herkömmliche, insbesondere genormte Befestigungsmittel mit dem Struktureinsatz und damit mit dem Fluidkryogendruckbehälter koppeln.
Gemäß einer Ausführungsform des Luftfahrzeugs ist der Fluidkryogendruckbehälter in einem zentralen Bereich des Luftfahrzeugs in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs positioniert. Somit kann der Schwerpunkt des Luftfahrzeugs auch bei sich veränderndem Füllstand des Druckbehälters einfacher geregelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Luftfahrzeugs sind an der Außenhülle abschnittsweise Materialeinlagen mit Aramiden zur Steigerung des Energieaufnahmevermögens angeordnet. Die Materialeinlagen mit Aramiden sind abschnittsweise insbesondere in dem zentralen Bereich des Luftfahrzeugs in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs angeordnet. Auf diese Weise werden Innenbereiche des Luftfahrzeugs und insbesondere der Fluidkryogendruckbehälter bei auf die Außenhülle aufprallenden Geschossen, Körpern oder dergleichen besser geschützt, da Aramide, insbesondere para-Aramidfasern ein hohes Energieaufnahmevermögen aufweisen und üblicherweise unter anderem bei Panzerungen für Fahrzeuge zum Einsatz kommen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Luftfahrzeug ferner eine erste und eine zweite Nutzlastrumpfsektion zur Aufnahme von Fracht und/oder Personen auf, die von der Außenhülle umgeben sind, wobei der Fluidkryogendruckbehälter zumindest bereichsweise in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs zwischen der ersten und der zweiten Nutzlastrumpfsektion positioniert ist. Somit kann das Gewicht des Luftfahrzeugs inklusive der zu erwartenden Nutzlast symmetrisch in Bezug auf den Fluidkryogendruckbehälter verteilt werden. Gerade bei Luftfahrzeugen spielt die exakte Schwerpunktposition eine wichtige Rolle und sollte darüber hinaus während des Fluges beherrschbar bleiben.
Gemäß einer Weiterbildung des Luftfahrzeugs erstrecken sich die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion jeweils längs und sind in ihrer Längserstreckung in einem Winkel zueinander ausgerichtet, deren Schnittpunkt mit der Nase des Luftfahrzeugs korrespondiert. Der Winkel ist insbesondere derart vorgesehen, dass die beiden Nutzlastrumpfsektionen V-förmig, d.h. in einem Winkelbereich von 10 ° bis 85° zueinander, insbesondere in einem Winkelbereich von 25 ° bis 70° zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird eine aerodynamische, symmetrische und kompakte Gestaltung des Luftfahrzeugs ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Luftfahrzeugs korrespondiert die Außenseite des Fluidkryogendruckbehälters in der Hochachse des Luftfahrzeugs betrachtet an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters mit der Kontur der Außenhülle, sodass die zwei gegenüberliegenden Abschnitte jeweils eine doppelwandige Struktur aufweisen. Somit kann die Biege- und/oder Torsionssteifigkeit des Luftfahrzeugs gesteigert werden, indem sich die Außenhülle und die Außenseite des Fluidkryogendruckbehälters gegenseitig stützen.
Die obigen Ausführungsformen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausführungsformen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Fluidkryogendruckbehälters mit vier beispielhaften Struktureinsätzen, welche jeweils in einem Ausbruch dargestellt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Heckansicht im Schnitt eines Luftfahrzeugs mit einem Fluidkryogendruckbehälter, welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Nutzlastrumpfsektion positioniert ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts des Luftfahrzeugs gemäß 2, wobei eine mechanische Koppelung des Fluidkryogendruckbehälters mit einer Außenhülle des Luftfahrzeugs exemplarisch illustriert ist;
4 eine schematische Draufsicht auf ein Luftfahrzeug mit einem Fluidkryogendruckbehälter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Gegenteiliges ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Obwohl vorliegend spezifische Ausführungsformen und Weiterbildungen dargestellt und beschrieben sind, wird der Fachmann bevorzugen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichartigen Ausführungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzukehren. Diese Anmeldung soll allgemein alle Abwandlungen oder Änderungen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken.
Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung vermitteln und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Zeichnungen sind lediglich als schematische Zeichnungen zu verstehen und die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
Eine Nutzlastrumpfsektion im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst jedes von einer Rumpfschale umschlossene Volumen im Inneren eines Luftfahrzeugs, welches dazu eingesetzt werden kann, Nutzlast des Luftfahrzeugs aufzunehmen und zu transportieren. Nutzlast eines Luftfahrzeugs können dabei einerseits Fluggäste oder Passagiere sein, andererseits Cargo oder Frachtgut. Wirtschaftlich einzusetzende Luftfahrzeuge weisen einen derartigen Nutzlastbereich im Inneren des Luftfahrzeugs auf.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fluidkryogendruckbehälters 1 mit vier beispielhaften Struktureinsätzen 8, welche jeweils in einem Ausbruch dargestellt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Fluidkryogendruckbehälter 1 umfasst eine erste Wandschicht 2, welche beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff enthält. Optional kann die erste Wandschicht 2 auch glasfaserverstärkten Kunststoff, Leichtmetalle, Keramiken oder Legierungen enthalten. Die erste Wandschicht weist dabei eine innere Kontaktoberfläche 3 für den Kontakt mit einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters 1 aufzunehmenden druckbeaufschlagten fluiden Kryogen auf. Bei der Herstellung der ersten Wandschicht 2 wurde die sogenannte Wickeltechnik angewendet, bei welchem endlose Kohlefasern maschinell in einem Harzbad getränkt und durch CNC-gesteuerte Maschinen auf einen rotierenden Werkzeugdorn abgelegt werden. Andere Herstellungsverfahren sind je nach verwendetem Werkstoff für die erste Wandschicht 2 denkbar. Zum Beispiel kann ein auf Schmiedetemperatur erwärmter Stahl-Vierkantblock in einer Stauchpresse vorgeformt werden und danach in einer Lochpresse durch Rückwärtsfließpressung die Form eines einseitig offenen Hohlzylinders erhalten. Anschließend drücken Rollen von außen und anfangs auch von innen den einseitig offenen Hohlzylinder zur Verjüngung, um den Flaschenhals zu erzeugen.
Ferner umfasst der Fluidkryogendruckbehälter 1 eine zweite Wandschicht 5, welche an einer äußeren Oberfläche 4 der ersten Wandschicht 2 angeordnet ist. Die zweite Wandschicht 5 weist zudem eine thermische Barriere 6 auf. Die thermische Barriere 6 verringert ein Angleichen der Temperatur des fluiden Kryogens innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters 1 an die Umgebungstemperatur. Hierzu weist die thermische Barriere 6 beispielsweise eine Temperaturleitfähigkeit von weniger als 0,01 W / m K auf. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Barriere 6 aktiv dem fluiden Kryogen Wärmeenergie entziehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 weist der Fluidkryogendruckbehälter 1 auch eine verschließbare Ein-/Auslassöffnung 7 für fluides Kryogen auf. Die Ein-/Auslassöffnung 7 erstreckt sich durch die erste und die zweite Wandschicht hindurch. Sie dient dazu den Fluidkryogendruckbehälter 1 zu befüllen oder darin enthaltenes Fluid entnehmen zu können und kann mit einem verschließbaren Ventil versehen sein. Dabei kann die Ein-/Auslassöffnung 7 zum Beispiel wie ein Standardanschluss für Wasserstoff ausgebildet sein.
Darüber hinaus enthält der Fluidkryogendruckbehälter 1 einen in der ersten und der zweiten Wandschicht 2, 5 integrierten Struktureinsatz 8. Dabei ist der Struktureinsatz 8 insbesondere fest mit der ersten Wandschicht 2 verbunden. Dieser Struktureinsatz 8 weist einen an der Außenseite 10 des Fluidkryogendruckbehälters 1 gelegenen Befestigungsstutzen 9 zum mechanischen Koppeln des Fluidkryogendruckbehälters 1 mit externen Strukturen auf. Wahlweise weist der Befestigungsstutzen 9 des Struktureinsatzes 8 ein Innengewinde, eine Öse, einen Bajonettverschluss oder ein schweiß- oder klebbares Material an der Außenseite 10 auf. Dies bedeutet, dass der Befestigungsstutzen 9 entweder bündig mit der Außenseite 10 auf derselben Ebene angeordnet ist oder über die Außenseite 10 nach außen herausragt. Dementsprechend ist der Befestigungsstutzen 9 von außen mit komplementären Befestigungsmitteln und/oder externen Strukturen zugänglich bzw. koppelbar.
Des Weiteren bildet der Fluidkryogendruckbehälter 1 einen im Wesentlichen zylinderartigen Grundkörper. Der Grundkörper des Fluidkryogendruckbehälters 1 ist in 1 beispielhaft zylindrisch ausgebildet. An einer der Stirnseiten ist dabei exemplarisch die verschließbare Ein-/Auslassöffnung 7 angeordnet.
Ferner ist der Befestigungsstutzen 9 beispielhaft an der Mantelfläche des im Wesentlichen zylinderartigen Fluidkryogendruckbehälters 1 angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist die Anordnung des Befestigungsstutzens 9 bzw. des Struktureinsatzes 8 auch an der Stirnseite des im Wesentlichen zylinderartigen Fluidkryogendruckbehälters 1 denkbar, beispielsweise an derselben Stirnseite wie die verschließbare Ein-/Auslassöffnung 7, an der gegenüberliegenden Stirnseite oder an beiden Stirnseiten.
2 zeigt eine schematische Heckansicht im Schnitt eines Luftfahrzeugs 100 mit einem Fluidkryogendruckbehälter 1, welcher zwischen einer ersten und einer zweiten Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B positioniert ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Luftfahrzeug 100 umfasst dabei einen Fluidkryogendruckbehälter 1, welcher im Wesentlichen dem Fluidkryogendruckbehälter 1 nach 1 entspricht.
Die Mantelfläche des dargestellten Fluidkryogendruckbehälters 1 ist im Querschnitt im Wesentlichen elliptisch ausgebildet. Optional kann die Mantelfläche im Querschnitt auch kreisrund, vieleckig oder als eine Kombination der genannten Formen ausgebildet sein. Darunter fallen beispielsweise geometrische Formen, die abwechselnd gerade und gekrümmte Abschnitte aufweisen, wie etwa ein Achteck mit abgerundeten Ecken oder ein Oval mit abgeplatteten Abschnitten.
Darüber hinaus ist der Fluidkryogendruckbehälter 1 in diesem Ausführungsbeispiel in einem zentralen Bereich 103 des Luftfahrzeugs 100 in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs 100 positioniert. Insbesondere entspricht der geometrische und/oder Masseschwerpunkt des Fluidkryogendruckbehälters 1 in Bezug auf die Querachse des Luftfahrzeugs 100 dem Masseschwerpunkt des Luftfahrzeugs 100. Der zentrale Bereich 103 erstreckt sich vorzugsweise achsensymmetrisch entlang der Querachse ausgehend von der Längsachse des Luftfahrzeugs 100, kann sich jedoch auch asymmetrisch ausgehend von der Längsachse des Luftfahrzeugs 100 entlang der Querachse erstrecken.
Ferner enthält das Luftfahrzeug 100 eine Außenhülle 101, welche den Fluidkryogendruckbehälter 1 abschnittsweise umgibt. Insbesondere umgibt die Außenhülle 101 den Fluidkryogendruckbehälter 1 in Flugrichtung des Luftfahrzeugs 100 betrachtet von vorne, oben, unten und beiden Seiten. Dabei können die Außenhülle 101 und der Befestigungsstutzen 9 des Struktureinsatzes 8 des Fluidkryogendruckbehälters 1 durch ein Befestigungsmittel gekoppelt sein.
Darüber hinaus sind in dem Ausführungsbeispiel nach 2 an der Außenhülle 101 abschnittsweise Materialeinlagen 104 mit Aramiden angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können die Materialeinlagen 104 andere Werkstoffe und/oder Textilien enthalten, die zum Schutz vor Perforation des Fluidkryogendruckbehälters 1 durch fremde Objekte, zum Beispiel durch herumgewirbelte/schwebende Objekte über der Startbahn beim Start oder durch Projektile bei einem terroristischen Angriff geeignet sind. Die Materialeinlagen 104 mit Aramiden sind abschnittsweise insbesondere in dem zentralen Bereich 103 des Luftfahrzeugs 100 in Bezug auf die Querachse des Luftfahrzeugs 100 angeordnet. Auf diese Weise werden Innenbereiche des Luftfahrzeugs 100 und insbesondere der Fluidkryogendruckbehälter 1 bei auf die Außenhülle 101 aufprallenden Geschossen, Körpern oder dergleichen besser geschützt. Insbesondere para-Aramidfasern weisen ein hohes Energieaufnahmevermögen auf und kommen daher üblicherweise unter anderem bei Panzerungen für Fahrzeuge oder in schusssicheren Westen zum Einsatz. Gleichzeitig sind Aramide sehr temperaturbeständig.
In 2 weist das Luftfahrzeug 100 ferner eine erste und eine zweite Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B zur Aufnahme von Fracht und/oder Personen auf, die von der Außenhülle 101 umgeben sind. D.h. die Außenhülle 101 umgibt sowohl den Fluidkryogendruckbehälter 1 als auch die beiden Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B. Die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B enthalten jeweils, wie dargestellt, Nutzlastrumpfsektionswände, die die Nutzlastrumpfsektionen umschließen. Somit können in den Nutzlastrumpfsektionen beispielsweise Druckkabinen für Passagiere erzeugt werden, wobei die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B jeweils eine von der anderen Nutzlastrumpfsektion separate Druckkabine oder eine gemeinsame Druckkabine aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die erste und/oder die zweite Nutzlastrumpfsektion zumindest zwei Bereiche vorsehen, in denen ein unterschiedliches Druckniveau herrscht. Einer der zwei Bereiche könnte somit für Frachtgut vorgesehen sein und ein niedrigeres Druckniveau im Vergleich zur Druckkabine für Passagiere aufweisen.
Beispielsweise ist der Fluidkryogendruckbehälter 1 zumindest bereichsweise in Bezug auf die Querachse des Luftfahrzeugs 100 zwischen der ersten und der zweiten Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B positioniert. Insbesondere weisen die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B vergleichbare Dimensionen auf, sodass diese Anordnung eine achsensymmetrische Gewichtsverteilung des Luftfahrzeugs 100 in Bezug auf seine Längsachse unterstützt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Luftfahrzeugs 100 korrespondiert die Außenseite 10 des Fluidkryogendruckbehälters 1 in der Hochachse des Luftfahrzeugs 100 betrachtet an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters 1 mit der Kontur der Außenhülle 101, sodass die zwei gegenüberliegenden Abschnitte jeweils eine doppelwandige Struktur aufweisen. Somit kann die Biege- und/oder Torsionssteifigkeit des Luftfahrzeugs 100 erhöht werden, indem sich die Außenhülle 101 und die Außenseite 10 des Fluidkryogendruckbehälters 1 gegenseitig stützen. Insbesondere stützen sich die Außenseite 10 des Fluidkryogendruckbehälters 1 und die Kontur der Außenhülle 101 in dem zentralen Bereich 103. Diese Kombination zweier Wandstrukturen kann die Struktursteifigkeit des Luftfahrzeugs 100 erhöhen. Weist der Fluidkryogendruckbehälter 1 dabei im Querschnitt eine Geometrie nahe an einer Ellipse auf, kann die Wandstärke des Fluidkryogendruckbehälters 1 und/oder der Außenhülle 101 reduziert werden, wodurch eine Gewichtsreduktion bewirkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Fluidkryogendruckbehälter 1 darüber hinaus mit der ersten und/oder der zweiten Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B gekoppelt sein. Dabei kann die Nutzlastrumpfsektionswand durch ein an ihr montiertes Befestigungsmittel mit dem Befestigungsstutzen 9 des Struktureinsatzes 8 verbunden sein. Somit kann die Biege- und/oder Torsionssteifigkeit des Luftfahrzeugs 100 erhöht werden. Der Fluidkryogendruckbehälter 1 dient somit auch der Versteifung der Luftfahrzeugstruktur in den Rumpfsektionen, während die Struktur der Flügel des Luftfahrzeugs 100 keine Versteifung durch den Fluidkryogendruckbehälter 1 erhält. Somit ist den Flügeln eine gewisse Flexibilität für optimale Aerodynamik gegeben. Optional enthält der Übergang zwischen Flügelspitze und Rumpfsektion Versteifungselemente 106, wie etwa Sparren, Rippen oder ähnlichem.
3 zeigt eine schematische Detailansicht eines Ausschnitts des Luftfahrzeugs 100 gemäß 2, wobei eine mechanische Koppelung des Fluidkryogendruckbehälters 1 mit einer Außenhülle 101 des Luftfahrzeugs 100 exemplarisch illustriert ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die thermische Barriere 6 eine Kühleinrichtung 6A auf, die als Rohrleitungssystem zum Fördern von Kältemitteln ausgebildet ist. Ein durch das Rohrleitungssystem strömendes Kältemittel bewirkt somit eine konvektive Kühlung eines im Fluidkryogendruckbehälter 1 aufgenommenen fluiden Kryogens. Kältemittel transportieren Enthalpie, das heißt Wärmeenergie, von dem Kühlgut zur Umgebung. Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ Geeignete Kältemittel sind beispielsweise Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenwasserstoffe oder Halogenkohlenwasserstoffe. Das Rohrleitungssystem kann beispielsweise mit einer (nicht dargestellten) Kältemaschine fluidisch verbunden sein. Das Rohrleitungssystem umfasst exemplarisch Edelstahl, Aluminium, Kunststoff, Verbundstoffe oder Metalllegierungen. Rohre des Rohrleitungssystems können beispielsweise im Wesentlichen radial um die Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters 1 herum in einer Spirale ausgerichtet sein.
Alternativ oder zusätzlich weist die thermische Barriere 6 eine Isolierungseinrichtung 6B auf, die als Sandwich-Struktur mit einem Vakuum in einem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern, mit einem Schaumstoffkern oder mit einer Inertgasfüllung in dem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern zur thermischen Isolierung zwischen einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters 1 aufgenommenen fluiden Kryogens und der Umgebung ausgebildet ist. Beispielhaft ist in 3 eine Kombination von Kühleinrichtung 6A und Isolierungseinrichtung 6B gezeigt. Dabei ist die Kühleinrichtung 6A innerhalb der zweiten Wandschicht 5 an der äußeren Oberfläche 4 der ersten Wandschicht 2 angeordnet, während die Isolierungseinrichtung 6B innerhalb der zweiten Wandschicht 5 an der Außenseite 10 angeordnet ist. Die Sandwich-Struktur enthält zum Beispiel einen Sandwich-Kern als Zwischenraum, welcher Schaumstoff aufweist. Der Sandwich-Kern ist alternativ beispielsweise ein durch Wandungen fluidisch abgedichteter Hohlraum, welcher mit Inertgas, beispielsweise Argon oder Krypton gefüllt ist oder ein Vakuum enthält.
In dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist der Struktureinsatz 8 beispielhaft in der ersten Wandschicht 2 formschlüssig durch Überlappungen des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs integriert. Der Befestigungsstutzen 9 weist hier exemplarisch ein Innengewinde auf. Über ein Befestigungsmittel 102 in Form einer Schraube sind die Außenhülle 101 und der Fluidkryogendruckbehälter 1 miteinander mechanisch gekoppelt. Dabei kann sich die Schraube durch ihren Schraubenkopf an der Außenhülle 101 abstützen. Zusätzlich ist hier beispielhaft ein Abstandshalter 107 zwischen der Außenhülle 101 und dem Befestigungsstutzen 9 vorgesehen. Der Abstandshalter 107 umschließt dabei zumindest abschnittsweise das Befestigungsmittel 102 und verhindert den Kontakt zwischen der Außenhülle 101 und dem Befestigungsstutzen 9. Um Vibrationsübertragungen zu dämpfen und/oder Stöße abzufedern, kann der Abstandshalter 107 zum Beispiel Kunststoffe, Laminatplatten, Schaumstoffe oder Kombinationen daraus aufweisen.
Ferner weist die erste Wandschicht 2 in 3 in dem Bereich, in welchem sie den Struktureinsatz 8 überlappt, eine dickere Wandschichtstärke auf als in nicht mit dem Struktureinsatz 8 versehenen Bereichen.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Luftfahrzeug 100 mit einem Fluidkryogendruckbehälter 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Luftfahrzeug 100 nach 4 ist beispielhaft als Flugzeug dargestellt. Insbesondere ist das Luftfahrzeug 100 als sogenannter Nurflügler 100 dargestellt, welcher einen fließenden Übergang zwischen Rumpf und Tragflächen aufweist. Der Nurflügler weist bei vergleichbarer Baugröße im Vergleich zu konventionellen zylindrischen Flugzeugrümpfen ein größeres Rumpfvolumen auf.
Der Fluidkryogendruckbehälter 1 in diesem Ausführungsbeispiel kann einem Druck von 350 bis 750 bar des darin aufzunehmenden fluiden Kryogens standhalten. Alternativ oder zusätzlich ist die Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters 1 im Längsschnitt konisch ausgebildet. Dabei weitet sich der Konus beispielsweise entgegen der Flugrichtung auf, so dass der Bauraum im Heck besser ausgenutzt werden kann oder der Masseschwerpunkt des Nurflüglers weiter in Richtung Heck verlagert wird.
Darüber hinaus erstrecken sich die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion 105A, 105B jeweils längs und sind in ihrer Längserstreckung in einem Winkel θ zueinander ausgerichtet, deren Schnittpunkt mit der Nase des Luftfahrzeugs korrespondiert. Dabei spannen die beiden Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B eine Ebene auf, die parallel zu der Ebene der Tragflächen ist. Der Winkel θ ist insbesondere derart vorgesehen, dass die beiden Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B V-förmig, d.h. in einem Winkelbereich von 10° bis 85° zueinander, insbesondere in einem Winkelbereich von 25° bis 70° zueinander ausgerichtet sind.
Ein Raum 108 zwischen den Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B und dem Fluidkryogendruckbehälter 1 kann vorteilhafterwiese elektrische Systeme und/oder Antriebssysteme aufweisen. Optional kann dieser Raum 108 ferner Frachtgut oder Cargo enthalten. Dabei kann der Raum 108 in seinem Inneren dasselbe oder ein geringeres Druckniveau aufweisen als das Innere der Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B.
Ferner kann der Nurflügler 100 Fenster an der vorderen Flügelkante aufweisen. Somit können Passagiere, die sich in den Nutzlastrumpfsektionen 105A, 105B aufhalten, aus dem Nurflügler heraussehen.
Das Luftfahrzeug 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 4 ermöglicht auch kürzere Förderwege des Fluids von dem Fluidkryogendruckbehälter zu dem Antriebssystem im Heck des Luftfahrzeugs im Vergleich zu Flugzeugen mit konventioneller Rumpf-Flügel-Anordnung, bei der die Tanks in der Regel in den Tragflächen angeordnet sind. Somit kann Gewicht durch verkürzte Förderleitungen gespart werden. Zudem gleicht sich die Temperatur des fluiden Kryogens während der Förderung durch die Förderleitungen aufgrund des kürzeren Förderweges weniger an die Umgebungstemperatur an.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
Bezugszeichenliste

1: Fluidkryogendruckbehälter
2: erste Wandschicht
3: innere Kontaktoberfläche
4: äußere Oberfläche
5: zweite Wandschicht
6: thermische Barriere
6A: Kühleinrichtung
6B: Isolierungseinrichtung
7: Ein-/Auslassöffnung
8: Struktureinsatz
9: Befestigungsstutzen
10: Außenseite
100: Luftfahrzeug
101: Außenhülle
102: Befestigungsmittel
103: zentraler Bereich
104: Materialeinlagen
105A: erste Nutzlastrumpfsektion
105B: zweite Nutzlastrumpfsektion
106: Versteifungselemente
107: Abstandshalter
108: Raum
θ: Winkel

Claims

Fluidkryogendruckbehälter (1) für ein Luftfahrzeug, aufweisend: eine erste Wandschicht (2), welche kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff enthält, mit einer inneren Kontaktoberfläche (3) für den Kontakt mit einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters (1) aufzunehmenden druckbeaufschlagten fluiden Kryogen; eine zweite Wandschicht (5), welche an einer äußeren Oberfläche (4) der ersten Wandschicht (2) angeordnet ist und eine thermische Barriere (6) aufweist; eine verschließbare Ein-/Auslassöffnung (7) für fluides Kryogen, welche sich durch die erste und die zweite Wandschicht (2, 5) hindurch erstreckt; und einen in der ersten und der zweiten Wandschicht (2, 5) integrierten Struktureinsatz (8), welcher einen an der Außenseite (10) des Fluidkryogendruckbehälters (1) gelegenen Befestigungsstutzen (9) zum mechanischen Koppeln des Fluidkryogendruckbehälters (1) mit externen Strukturen aufweist; wobei der Fluidkryogendruckbehälter (1) einen im Wesentlichen zylinderartigen Grundkörper bildet.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach Anspruch 1, wobei die thermische Barriere (6) eine Kühleinrichtung (6A) aufweist, die als Rohrleitungssystem zum Fördern von Kältemitteln ausgebildet ist, so dass ein durch das Rohrleitungssystem strömendes Kältemittel eine konvektive Kühlung eines im Fluidkryogendruckbehälter (1) aufgenommenen fluiden Kryogens bewirkt.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermische Barriere (6) eine Isolierungseinrichtung (6B) aufweist, die als Sandwich-Struktur mit einem Vakuum in einem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern, mit einem Schaumstoffkern oder mit einer Inertgasfüllung in dem fluidisch abgedichteten Sandwich-Kern zur thermischen Isolierung zwischen einem innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters (1) aufgenommenen fluiden Kryogens und der Umgebung ausgebildet ist.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Befestigungsstutzen (9) an der Mantelfläche des im Wesentlichen zylinderartigen Fluidkryogendruckbehälters (1) angeordnet ist.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Struktureinsatz (8) in der ersten Wandschicht (2) formschlüssig durch Überlappungen des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs integriert ist.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach Anspruch 5, wobei die erste Wandschicht (2) in dem Bereich, in welchem sie den Struktureinsatz (8) überlappt, eine dickere Wandschichtstärke aufweist als in nicht mit dem Struktureinsatz (8) versehenen Bereichen.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein innerhalb des Fluidkryogendruckbehälters (1) aufgenommenes fluides Kryogen mit einem Druck von 350 bis 750 bar beaufschlagbar ist.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters (1) im Querschnitt elliptisch und/oder im Längsschnitt konisch ausgebildet ist.
Fluidkryogendruckbehälter (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Befestigungsstutzen (9) des Struktureinsatzes (8) ein Innengewinde, eine Öse, einen Bajonettverschluss oder ein schweiß- oder klebbares Material an der Außenseite (10) aufweist.
Luftfahrzeug (100), insbesondere Flugzeug, aufweisend: einen Fluidkryogendruckbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und eine Außenhülle (101), welche den Fluidkryogendruckbehälter (1) abschnittsweise umgibt, wobei die Außenhülle (101) und der Befestigungsstutzen (9) des Struktureinsatzes (8) des Fluidkryogendruckbehälters (1) durch ein Befestigungsmittel (102) gekoppelt sind.
Luftfahrzeug (100) nach Anspruch 10, wobei der Fluidkryogendruckbehälter (1) in einem zentralen Bereich (103) des Luftfahrzeugs (100) in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs positioniert ist.
Luftfahrzeug (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei an der Außenhülle abschnittsweise, insbesondere in dem zentralen Bereich (103), Materialeinlagen (104) mit Aramiden zur Steigerung des Energieaufnahmevermögens angeordnet sind.
Luftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner aufweisend eine erste und eine zweite Nutzlastrumpfsektion (105A, 105B) zur Aufnahme von Fracht und/oder Personen, die von der Außenhülle (101) umgeben sind, wobei der Fluidkryogendruckbehälter (1) zumindest bereichsweise in Bezug auf eine Querachse des Luftfahrzeugs (100) zwischen der ersten und der zweiten Nutzlastrumpfsektion (105A, 105B) positioniert ist.
Luftfahrzeug (100) nach Anspruch 13, wobei sich die erste und die zweite Nutzlastrumpfsektion (105A, 105B) jeweils längs erstrecken und in ihrer Längserstreckung in einem Winkel (θ) zueinander, insbesondere V-förmig, ausgerichtet sind, deren Schnittpunkt mit der Nase des Luftfahrzeugs (100) korrespondiert.
Luftfahrzeug (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Außenseite (10) des Fluidkryogendruckbehälters (1) in der Hochachse des Luftfahrzeugs (100) betrachtet an zwei gegenüberliegenden Abschnitten der Mantelfläche des Fluidkryogendruckbehälters (1) mit der Kontur der Außenhülle (101) korrespondiert, sodass die zwei gegenüberliegenden Abschnitte jeweils eine doppelwandige Struktur aufweisen.