LuFo VI-2 - K2H2 - "Konzeptprüfstand für Kleinflugzeugflügel mit hochintegralen Hochdruckwasserstofftanks" als Teil des Förderverbundprojektes "K2H2" - "Virtueller Konzeptprüfstand für Kleinflugzeugflügel mit hochintegralen Hochdruckwasserstofftanks"

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts K2H2 – Konzeptprüfstand für Kleinflugzeugflügel mit hochintegralen Hochdruckwasserstofftanks wurde an der Technischen Universität Dresden ein Prüfkonzept für die strukturelle Erprobung von Kleinflugzeugflügeln mit integrierten Wasserstoffdrucktanks entwickelt. Ziel war es, einen virtuellen Konzeptprüfstand zu entwerfen, der die komplexen Belastungskombinationen aus aerodynamischen Kräften, Trägheitslasten und Innendruck realitätsnah abbildet. Dazu wurden zunächst Qualifikationsanforderungen und technische Zielgrößen definiert sowie eine Beispielstruktur zur Validierung herangezogen. Auf dieser Grundlage entstanden Konzepte für Prüfkörper, Messmethoden und Lasteinleitungselemente, die durch numerische Simulationen ergänzt und in einem Modellprüfstand umgesetzt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch integrale Auslegung tragfähige Prüfkonzepte realisieren lassen, die eine sichere Testdurchführung und eine zuverlässige Beurteilung von Dichtigkeit und Strukturverhalten ermöglichen. Damit wird eine wesentliche Grundlage für die künftige Zertifizierung und Zulassung wasserstoffbetriebener Kleinflugzeuge geschaffen. Darüber hinaus leistet das Projekt einen Beitrag zur Weiterentwicklung emissionsarmer Luftfahrttechnologien und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Luftfahrtindustrie. The K2H2 project developed a testing and verification concept for small aircraft wings with structurally integrated high-pres sure hydrogen tanks (SWITH). With the integration of H₂ storage tanks into the wing structure, considerable internal pressures act as an internal load in addition to aerodynamic and inertial loads. Due to the highly integrated design, the wing, tank and connection can no longer be qualified separately. A holistic approach is required that covers central structural issues with targeted test specimens. The aim of the project is to create a digitally supported verification chain consisting of a virtual test specimen and a virtual test facility. This allowed load application, mounting, instrumentation and necessary modifications to be examined prior to implementation in order to avoid unwanted constraint forces and allow for changes in the shape of the wing under internal pressure. Numerical simulations were used to derive relevant load cases, dimension the test bench and determine the load introduction elements. Aerodynamic reference loads were converted into point loads using discretisation and optimisation methods, so that the bending and shear distributions were reproduced with a high degree of accuracy. On this basis, a scalable test bench design was created with safety-oriented test procedures and step-by-step loading. The results showed that: (1) The load-accurate reproduction of the reference loads is robust; the agreement improves sys tematically with optimised positioning of the load applications. (2) The numerically predicted displacement and strain fields agree very well with the experimental measurements in representative load cases – clear validation of the concept, test bench and instrumentation. (3) The developed procedure minimises iterations on the real test specimen, reduces effort and risk in the test execution and increases the transferability of the results to real SWITH wings. Overall, K2H2 establishes the basis for efficient, load-accurate structural testing of integrated H₂ storage systems and contributes to the rapid and safe introduction of low-emission aircraft.