CN110035953A - 带有电池的飞机，特别是混合动力飞机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机(100)，包括：机身(101)，其包括多个面板(105)，所述多个面板(105)适于限定所述飞机(100)的驾驶舱或货舱的空气动力学形状；至少一个机翼(103)，其在结构上连接到所述机身(101)并适于允许所述飞机(100)的飞行，所述机翼(103)包括多个机翼表面和配置用于支撑所述机翼表面的至少一个框架；用于所述飞机(100)的推进系统，所述推进系统包括至少一个电力发动机、和适于存储电能以供应所述电力发动机的电池。所述电池包括构成所述机翼表面中的至少一个表面(104a，104b)的第一结构电池，并且还包括构成所述机身的所述面板中的至少一个面板(105)的第二结构电池。

Description

带有电池的飞机，特别是混合动力飞机

技术领域

本发明涉及一种包括结构电池的飞机，该结构电池的能量也用在所述飞机上以便于借助于电力发动机进行推进。

通常，本发明可应用于具有电力推进或混合动力推进的载人飞机领域。

背景技术

在过去的20-30年间，对减少环境污染的需求呈指数级增长。即使在航空领域，电力发动机排放法规也越来越严格，全世界许多研究小组的注意力都集中在设计更关注环境影响的飞机上。欧盟资助的许多项目，如SESAR和AIRE，都被设想用于研究适合减少污染物排放的有效解决方案。

就推进而言，虽然近来排放量已大幅减少，但用对环境影响为零的新技术替代旧技术，仍然是一项根本性挑战。在过去几年中，在电力推进领域取得了显着进展。电力发动机的性能以及电池容量已经大大改善并且不断发展，从而推动了飞机的进步(所谓的“更加电动”)越来越多地关注电能的使用并允许测试仅使用电能作为能源的第一架飞机原型(所谓的“全电动”)。

然而，能量存储系统还尚未达到与基于化石燃料的传统系统类似的性能水平，因此有必要进行大力的研究活动。

与航空运输相关的另一个关键问题是噪音污染。越来越多的航班以及一些机场与住宅区的邻近给航空公司造成了严重的问题，这些公司经常遭到罚款，并且由于声响问题，他们被要求减少其活动，特别是在夜间，这种情况并不少见。即使在某些航空俱乐部和数量有限的不需要声学认证的机场的特殊情况下，也经常会收到来自居住在机场附近的社区的投诉。

鉴于上述情况，电力推进可以在减少环境污染以及减少噪音污染方面产生巨大的双重影响。

此外，电力发动机的引入在成本方面有更多优点：对于相同的能量，实际上，借助于电力系统的生产成本相对于相应数量的化石燃料的成本显著较低。

最后，相对于热力发动机，电力发动机具有更高的可靠性，因此降低了维护要求以及与飞机的整个生命周期相关的总体成本。

关于电力推进的两个主要问题是与通用航空飞机所需的最小自主性相关的相对较低的电池自主性以及电池的重量，其中电池需要在结构设计步骤期间研究最佳定位并且在释放电能时变成飞机上的寄生负载，而这种负载从操作的角度来看是无用的。

现有技术包括一些用于在电力推进飞机上安置电池的解决方案。

例如，US 8,967,529(B1)涉及至少部分地定位在飞机的半翼中的电池；该飞机包括多个电池，这些电池被插入以装配在半翼的结构支撑件中的隔室中。

然而，在US 8,967,529(B1)提供的解决方案中，电池限于有限尺寸的内部隔室，因此不允许存储足够的电能以确保在电动模式下飞机的飞行自主性。

KR20160115864(A)涉及应用有电池的飞机机翼的结构。该机翼由复合材料制成；上表面由太阳能电池板覆盖，而下表面集成了结构电池，可以存储从太阳能电池板收集的能量。如此制成的机翼允许承受施加到飞机上的载荷，同时保持足够的机械阻力。

然而，文献KR20160115864(A)的解决方案虽然由于位于机翼上的电池而增加了飞机的重量，但仍未实现飞机飞行的足够电力自主性。此外，由于电池的有限电容量，KR20160115864(A)的解决方案导致机翼重量过度增加，有损飞机的可操作性以及其整体性能和整体效率。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术的缺点。

本发明的一个特定目的是允许在飞机上存储足够的电能以确保足够的飞行范围。

本发明的另一个特定目的是改善飞机的可操纵性和与机上电池的存在相关的重量分布。

这些和其他目的是通过来自所附权利要求书的飞机获得的，而所附权利要求书则构成本公开的组成部分。

在本发明的基础构思是提供一种飞机，包括：机身，其包括多个面板，所述多个面板适于限定用于所述飞机的驾驶舱或货舱的空气动力学形状；至少一个机翼，其在结构上连接到所述机身并适于允许所述飞机的飞行，其中，所述机翼包括多个机翼表面和至少一个配置用于支撑所述机翼表面的框架；推进系统，其包括：至少一个电力发动机和适于存储电能以供应所述电力发动机的电池。优选地，所述电池还可以用于供应任何机载系统，如果该机载系统存在的话。

所述电池包括构成所述机翼表面中的至少一个表面的第一结构电池；此外，所述电池包括构成至少一个机身面板的结构电池。

有利地，根据本发明的飞机中的结构电池的特定分布允许改善性能和整体效率。

特别地，所述结构电池包括复合多功能材料，其同时适于承受机械载荷并存储和传递电能。

优选地，本发明提供结构电池在大多数飞机结构上的使用，尤其包括机翼表面的固定机翼部的主要部分和几乎所有机身表面。

在优选实施例中，对应于机翼的移动表面和飞机尾部的表面没有设置结构电池，以避免实际上可能影响飞机整体操作的电耦合问题。

另外，在甚至更优选的实施例中，设想从对应于上翼的表面排除结构电池，因为这些表面主要承受压缩应力，而压缩应力几乎不被某些类型的结构电池支撑。

原则上，可以提供几乎完全由结构电池组成的飞机结构，从而最大化可以存储在飞机上的能量。

本发明采用结构电池，这些结构电池包括多功能结构，能同时有助于其承受飞机所承受的结构载荷的机械功能，并存储和分配能量从而提供电池功能。

因此，一旦电池的充电结束，它们自身的结构继续在结构上支撑飞机方面发挥积极作用，而不必传送对飞机的操作无用的额外重量。

优选用于结构电池的材料是复合类型的，类似于碳增强材料，其可以作为常规电池，进一步转移离子，例如锂离子。因此，这种多功能材料成为本发明意义上的“结构电池”。

在优选的实施方案中，所述结构电池优选具有夹心结构。

通过下文对本发明优选实施例的详细的、非限制性的描述、以及概述了本发明的优选和特别有利的实施例的从属权利要求，进一步的特征和优点将变得明显。

附图说明

参考作为非限制性示例提供的以下附图来说明本发明，其中：

图1示出了根据本发明的飞机的优选实施例的第一视图。

图2示出了根据本发明的飞机的优选实施例的第二视图。

图3示出了根据本发明的飞机的机翼的优选实施例的第一截面。

图4示出了根据本发明的飞机的机翼的优选实施例的第二截面。

图5示出了根据本发明的飞机的机翼的优选实施例的第三截面。

图6示出了根据本发明的飞机中机身的优选实施例的截面。

图7举例说明了根据本发明的飞机的优选实施例的结构。

图8详细示出了根据本发明的飞机中机翼的优选实施例的前缘。

在不同的图中，类似的元件将由类似的附图标记标识。

具体实施方式

图1和图2分别示出了根据本发明的飞机100的上视图和下视图。飞机100包括机身101，机身101包括多个面板，适于为飞机100的驾驶舱102限定空气动力学形状。替代地或另外地，飞机可以容纳用于运输有效载荷的货舱。特别地，该飞机可以是由操作人员驾驶的类型，以及是自动驾驶或远程驾驶的类型。

机身101优选地呈现所谓的“蝌蚪状”的构造，代表了属于通用航空类别的大多数飞机。这种构造使湿表面相对于其他构造减少30-40％。这种机身的生产通常比其他构造更昂贵，但是在采用复合材料的情况下，特别是通过使用结构电池，可以带来显着的节省，如下面将更好地示出的。

然而，可以对诸如所谓的“躯干”机身或其他的机身使用不同的构造。

飞机100包括至少一个机翼103，特别是两个半翼103a和103b，其在结构上连接到机身101并适于允许飞机100的飞行。

机翼103包括多个机翼表面和至少一个配置用于支撑该机翼表面的框架(不可见)。

该飞机还包括推进系统(不可见)，其包括至少一个电力发动机、以及适于存储电能以供应所述电力发动机并且还可选地供应机载设备的电池。这种电池将在下面进一步描述。

所提出的实施例涉及用于通用航空的4座型的飞机100。优选地，飞机100具有包括在1000kg和2000kg之间的最大起飞重量。在最优选的实施例中，飞机100的最大起飞重量约为1265kg。飞机100的驾驶舱配置成容纳至少一名乘客，优选地容纳四名乘客。

然而，飞机100仅仅是示例而非限制，可以将本发明用于任何所需尺寸的飞机以用于民用和军用。

电池包括第一结构电池，其至少构成机翼表面的表面104a和104b，在图例中表示为“结构电池”。

此外，电池包括构成机身的至少一个面板105的第二结构电池，在图例中表示为“结构电池夹心”。

部分由结构电池构成的飞机结构的设计与传统飞机结构的设计具有不同的目的：传统设计的主要目的是创建一种能够承受由具有尽可能小的重量的任何飞行条件产生的载荷的结构，而根据本发明的具有结构电池的飞机结构的设计目的是承受载荷并提供所需的动力和能量，同时使结构和电池组的总重量最小化。

从机械的观点来看，结构电池具有良好但不是最佳的特性，因为虽然拉伸强度与目前使用的复合材料的拉伸强度相当，但压缩强度却并不能这么说，因为受到基体的特性限制。特别地，预期在短时间内演变以达到约500MPa的刚度值，仍远与常规环氧树脂基体的5Gpa差得远。从结构的角度来看，这是研究目前关注的结构电池的焦点之一。

总体来看，利用当前结构电池的电气和机械特性，在降低总体重量、操作成本以及飞机的噪声和环境污染方面已具有优势，克服了无论如何都处于可预测的演变和改进中的电气和机械性能方面的缺点。

机翼103包括固定机翼表面201和可移动机翼表面202。可移动机翼表面202配置成用于飞行期间操纵飞机100，并且优选地实现为没有电池，以避免电连接问题。结构电池优选地仅构成固定机翼表面201的一部分，而可移动机翼表面202没有结构电池。

优选地，至少一个面板105中的结构电池和与机翼的前缘109相邻的至少一个机翼表面108中的结构电池以夹心结构(sandwich structure)提供。

夹心结构优选地包括芯并且还包括第一蒙皮和第二蒙皮。第一蒙皮和第二蒙皮是层状的并分别施加在与芯相对的平面表面上。第一蒙皮和第二蒙皮由结构电池组成，其结合了芯。

因此，夹心结构优选地以夹心状方式构造，其中芯包括适于改善夹心结构的刚度和剪切应力抗性的蜂窝结构，而由结构电池组成的蒙皮适于抵抗作用于机翼平面内的载荷以及抵抗作用于机翼平面外的弯曲力矩。

用于夹心面板的蜂窝结构的芯的材料优选是间位芳族聚酰胺系(meta-aramidbased)材料，其允许在飞机上失火的情况下防止或延迟火的蔓延。

此外，对于蜂窝结构的芯可以使用不同的材料，并且还可以使用不同性质的多个芯，例如泡沫。

在优选实施例中，机身101的面板105的结构电池至少涉及机身101的80％的表面。

或者，就与前缘109相邻的表面108而言，可以使用由碳纤维增强的传统面板。

为了防止火灾蔓延并保护乘客，可以在机身101内提供钢隔板以保护驾驶舱。

这些材料的最终组合允许获得与推进系统相关的结构电池的最小结构重量和最小数量。然而，本实施例是示例而非是可采用材料的限制。

本实施例中使用的材料是通用的碳纤维增强聚合物(CFRP)和不锈钢，以及结构电池。作为CFRP的替代，可以使用不同的材料，例如玻璃纤维增强聚合物(GFRP)，其具有较低的机械特性但也具有较低的成本。

在一个优选的实施例中，优选选择包含CFRP而不是包含GFRP的方案，不仅因为其具有更好的机械特性，而且因为其成本趋向于连续降低，因此减少了GFRP所呈现的优点，还因为更多的采用和实验已经在许多飞机上进行，作为传统铝合金的替代品。特别是在CFRP中，选择聚丙烯腈产品，因为在所有碳纤维增强聚合物中其具有更高的锂离子存储容量。相反，机身则使用通用不锈钢。

在优选实施例中，除了电力发动机之外，推进系统还包括至少一个热力发动机，优选为柴油类型的热力发动机，并与一个电力发动机相关联以产生混合动力推进系统。显然可以考虑其他类型的热力发动机。

热力发动机优选地与电力发动机串联和/或并联连接，因此允许具有与使用传统推进器的飞机相当的飞行范围。然而，同样在这种情况下，这仅仅是示例而非限制，因为采用当前技术已经可以使用“全电动”配置的交通工具作为动力滑翔机、滑翔机等。

此外，单发动机或多发动机配置对于电力发动机和热力发动机都是可能的。

此外，可以存在至少一个传统类型的电池，在紧急情况下以及在结构电池的功能有误情况下用作备用。显然，一旦获得结构电池的优化，该解决方案将仅是可选的。

图3、图4和图5分别示出了根据本发明的机翼103根部的截面、机翼103中部的截面以及机翼103顶端的截面。

如所述，至少一个机翼103包括前缘109；与所述前缘109相邻的机翼表面108包括结构电池的夹心结构。

此外，机翼103包括下机翼表面301和上机翼表面302。优选地，结构电池构成下机翼表面301。就本实施例中的上机翼表面302而言，相反，优选地不考虑采用结构电池，以便在飞机100飞行期间为机翼103提供更好的机械阻力。实际上，上表面302更多地受到压缩应力，其受到结构电池支撑较差。

图6示出了飞机100的机身101的一个截面。

可以观察机身101的结构如何由结构电池的夹心结构构成。这种夹心结构包括层状芯601，优选地具有带有六角形蜂窝(hexagonal cells)类型的增强形状结构。这种选择是由于分层结构的特性，特别是夹心结构的特性，其允许相同重量下结构的增厚并因此具有更高的刚度，而没有过多的额外重量。实际上，芯601的重量远低于蒙皮602和603的重量。分别在机身101内部和外部的蒙皮603和604包括结构电池。

图7例示了根据本发明的变型的飞机结构。特别地，示出了机翼103的肋701和尾部702和703的结构。它们优选由碳纤维增强复合材料制成，以提供更好的机械特性，同时确保不超重，符合本发明的预期目的。在该变型中，前缘上的结构电池不包括在已经描述的夹心结构中，而是通过提供替代实施例简单地集成到结构中。

图8详细示出了机翼103的前缘109处的表面。

如已经描述的，与前缘109相邻的机翼表面108包括夹心结构。对于机翼103的靠近前缘109的部分采用这种类型的构造是优选的，以提供尽可能大的刚性，从而确保完美地保持空气动力学形状，进而保持机翼103的轮廓的空气动力学特性。另外，与机身一样，这种采用夹心结构的结构电池的解决方案确保了刚度的增加不会造成重量的增加。

工业适用性

有利地，本发明提供了用于存储相同量的能量的飞机总重量的减少。与由传统复合材料制成并使用传统锂离子电池的飞机相比，最大起飞重量减少了1.5％，与用铝合金制结构实现并使用传统的锂离子电池的飞机相比，最大起飞重量减少了6％。

此外，与现代通用航空飞机相比，飞机运营成本预计降低20％，包括能源支出和维护成本。

已经计算出，在一个实施例中，该飞机将能够仅使用来自在飞行前充满电的电池的电力来覆盖大约100km的距离，包括起飞、爬升、巡航、下降和着陆。在此计算中，任务能量已被视为电池中存储的总能量的90％，将剩余的10％作为应急储备。

有利地，相对于现代通用航空飞机，实现了噪声排放和环境污染的显着降低。

考虑到本文提供的描述，本领域技术人员可以提供进一步的修改和变化以满足偶然的和特定的要求。

因此，本文描述的实施例旨在是本发明的说明性和非限制性的示例。

Claims (13)

1.一种飞机(100)，包括：

机身(101)，其包括多个面板(105)，所述多个面板(105)适于限定所述飞机(100)的驾驶舱或货舱的空气动力学形状；

至少一个机翼(103)，其在结构上连接到所述机身(101)并适于允许所述飞机(100)的飞行，所述机翼(103)包括多个机翼表面和配置用于支撑所述机翼表面的至少一个框架；

用于所述飞机(100)的推进系统，所述推进系统包括：

至少一个电力发动机，和

适于存储电能以供应所述电力发动机的电池，

其中，所述电池包括构成所述机翼表面中的至少一个表面(104a，104b)的第一结构电池；

其特征在于，

所述电池还包括构成所述机身的所述面板中的至少一个面板(105)的第二结构电池。

2.根据权利要求1所述的飞机，其中，所述第一结构电池和所述第二结构电池包括多功能复合材料，所述多功能复合材料同时适于承受机械载荷并存储和传递电能。

3.根据权利要求1或2所述的飞机，包括集成在夹心结构(108，601，602，603)中的结构电池，所述夹心结构(108，601，602，603)包括芯(601)，并且还包括第一蒙皮(602)和第二蒙皮(603)，所述第一蒙皮(602)和所述第二蒙皮(603)是层状的并分别施加在所述芯(601)的相对的平面上，其中，所述第一蒙皮(602)和所述第二蒙皮(603)由结构电池构成。

4.根据权利要求3所述的飞机，其中，所述至少一个面板(105)包括所述夹心结构(601，602，603)。

5.根据权利要求3或4所述的飞机，其中，所述至少一个机翼包括前缘(109)，并且其中，与所述前缘(109)相邻的机翼表面(108)包括所述夹心结构(108)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的飞机，其中，所述芯(601)包括增强形结构，优选地为六角形蜂窝结构。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的飞机，其中，所述至少一个机翼(103)包括下机翼表面(301)和上机翼表面(302)，其中，所述结构电池构成所述下机翼表面(301)中的至少一个表面，

所述上机翼表面(302)基本上实现为没有所述结构电池，以在所述飞机(100)的飞行期间为所述至少一个机翼(103)提供更高的机械强度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的飞机，其中，所述至少一个机翼(103)包括固定机翼表面(201)和可移动机翼表面(202)，所述可移动机翼表面(202)配置用于在所述飞机(100)的飞行期间操纵所述飞机(100)，并且其中，所述可移动机翼表面(202)实现为没有所述结构电池。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的飞机，其中，所述第二结构电池构成所述机身(101)的所述面板(105)，涉及所述机身(101)的至少80％的表面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的飞机，其中，所述推进系统还包括至少一个热力发动机，所述热力电动机与所述至少一个电力发动机相关联，以实现混合动力推进系统。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的飞机，其中，所述驾驶舱配置成容纳至少一个乘客，优选地容纳四个乘客。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的飞机，其中，所述推进系统包括推进器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的飞机，具有包括在1000kg和2000kg之间的最大起飞重量。