Modellbasierte Entwicklung kapazitiver Füllmengenmesssysteme für Flüssigwasserstofftanks in Flugzeugen

Abstract

Die Nutzung von flüssigem Wasserstoff (LH2) als alternativer Flugzeugkraftstoff bietet großes Potenzial für eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Luftfahrt. Für die Entwicklung zukünftiger Flugzeuggenerationen ist die präzise Füllmengenmessung in Flüssigwasserstofftanks daher ein relevanter Technologiebaustein. Die besonderen Herausforderungen beim Messen der Füllmenge resultieren aus den extrem niedrigen Temperaturen, den größeren Tankquerschnitten, der komplexen Tankisolierung, den thermodynamischen Vorgängen im Tank sowie den Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Sensor- und Tanksystems. Kapazitive Sensoren sind eine weitverbreitete Lösung für die Messung der Füllmenge in Kerosintanks großer Verkehrsflugzeuge. Das Messprinzip basiert auf der unterschiedlichen relativen Permittivität von Kerosin und Luft. Die elektrisch gemessene Kapazität eines Zylinderkondensators ergibt dabei eine, durch weitere Messgrößen kompensierte, proportionale Größe mit Bezug zur gespeicherten Kraftstoffmasse. Auch wenn die Unterschiede der relativen Permittivität zwischen flüssigem und gasförmigem Wasserstoff deutlich kleiner sind, lässt sich das Messprinzip grundsätzlich auch auf Flüssigwasserstofftanks übertragen. Im Sinne einer später angestrebten Luftfahrtzulassung ist aufgrund des hohen Technologiereifegrades das kapazitive Messprinzip daher die erste Wahl. Dieser Konferenzbeitrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik zur Messung der Füllmenge in Flüssigwasserstofftanks und beschreibt konventionelle Kraftstoffmengenmesssysteme in großen Verkehrsflugzeugen. Weiterhin werden ausgewählte Anforderungen an ein LH2-basiertes Kraftstoffmengenmesssystem erörtert. Ausgehend von den Anforderungen wird eine erste Basis-Architektur mit dem MATLAB® System Composer modellbasiert entwickelt.

The use of liquid hydrogen (LH2) as an alternative aviation fuel offers great potential for greener and more sustainable aviation. Precise fill quantity measurement in liquid hydrogen tanks is therefore a relevant technology component for the development of future generations of aircraft. The particular challenges when measuring the filling quantity result from the extremely low temperatures, the larger tank cross-sections, the complex tank insulation, the thermodynamic processes in the tank and the requirements for safety and reliability of the entire sensor and tank system. Capacitive sensors are a widely used solution for measuring the fill level in kerosene tanks of large commercial aircraft. The measuring principle is based on the different relative permittivity of kerosene and air. The electrically measured capacitance of a cylinder capacitor results in a proportional quantity in relation to the stored fuel mass, which is compensated for by further measured variables. Even if the differences in relative permittivity between liquid and gaseous hydrogen are significantly smaller, the measuring principle can in principle also be transferred to liquid hydrogen tanks. Due to the high level of technology maturity, the capacitive measuring principle is therefore the first choice for future aviation approval. This conference paper provides an overview of the state of the art for measuring the filling quantity in liquid hydrogen tanks and describes conventional fuel quantity measurement systems in large commercial aircraft. Furthermore, selected requirements for an LH2-based fuel quantity measurement system are discussed. Based on the requirements, an initial basic architecture is developed based on models using the MATLAB® System Composer.