CN113076624A - 一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，副气囊位于主气囊的内部，主气囊中填充氦气，副气囊中填充氢气。本发明首先，对于给定的飞行航程，计算出飞艇所需要消耗的能量，然后根据这一数值换算成一定量氢气作为燃料时所能提供的能量。最后在飞行前将这定量体积的氢气充入到飞艇的副气囊中，以实现飞艇携带的氢气在最大程度上的利用。本发明的有益之处在于，通过对设定的飞行参数进行一系列计算，对飞艇燃料的携带量进行估算，尽可能地减少燃料残余，使得氢能源飞艇的飞行过程更加的安全，进而拓展氢能源飞艇的应用场景。

Description

一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法
技术领域
本发明涉及浮空器燃料配载方法领域，具体涉及一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法。
背景技术
飞艇作为一种利用空气浮力实现长留空能力的飞行器，与其他飞行器相比，具有留空时间长、能耗低优点。由于空气所能提供的浮力较小，所以飞艇对于载重量较为敏感，载重量的变化会直接影响到飞艇的尺寸设计和能量消耗上。
近年来，以燃料电池为代表的新能源已经开始逐步应用到飞行器上。然而，关于氢燃料电池作为飞艇推动力的研究仍处在起步阶段。虽然，氢气作为燃料电池的燃料是一种理想选择，但其单位体积能量密度较小。在实际应用中，需要施加高压储存在钢瓶中使用，而钢瓶自身的重量也在一定程度压缩了飞艇的载荷量，此外，由于氢气的爆炸极限较为宽泛，过多的氢气残余，对于滞留在空中的飞艇而言也是一种安全隐患。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决使用氢燃料电池为动力的飞艇上，燃料的携带量与飞行航程的关系，尽可能的减少氢气的携带量，使得氢能源飞艇的飞行更加经济安全。
为解决上述技术问题，本发明提供一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，副气囊位于主气囊的内部，主气囊中填充氦气，副气囊中填充氢气，具体步骤如下：
步骤1：根据飞艇实际所处的飞行环境，考虑空气性质的影响因素，对空气重量密度进行修正；
步骤2：根据预设的飞行高度和飞艇载重，修正后的空气重量密度计算相对应所需氦气的体积V1；
F总＝(ρ空气-ρ氦气)×V1；F总＝(M飞艇+V1×ρ氦气)g
F总是总静升力；ρ氦气是氦气的重量密度；V1是达到相对应的静升力时需要氦气的体积，M飞艇是飞艇的总重(包含舰体以及其他部件的重量)；飞艇使用常规外形材料，飞艇气囊具有柔性。
步骤3：对于给定的飞艇飞行的水平路程s，按照飞艇的平均速度v，飞艇发动机的平均输出功率为P平均，计算出飞艇的飞行时间t以及在此过程发动机输出的总能量Q；
t＝s/v，Q＝P平均×t；
其中t是飞艇飞行的时间，P平均是平均输出功率；Q是需要消耗的总能量；
步骤4：根据燃料电池的效率η，计算出改用氢燃料电池作为发动机时，所需要提供的能量，公式为Q1＝Q/η；
步骤5：根据Q1计算出，需要作为燃料的氢气的物质的量n氢气；
步骤6：根据氢气物质的量n氢气，计算出作为燃料的氢气所能提供的浮力F氢；
F氢＝(ρ空气-ρ氢气)×n氢气×22.4；
步骤7：根据氢气所能提供的静升力F氢气和总静升力F总之间的差值，计算出需要弥补的氦气的体积V1`；
F总-F氢＝(ρ空气-ρ氦气)×V1`。
作为对本发明一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法的改进：
海拔每升高1000m，空气密度降低10％，据此修正所充氦气的体积考虑温度对空气密度和氦气密度的影响，考虑高度对空气密度的影响。
作为对本发明一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法的改进：
飞行过程中速度和升力的变化，考虑空气阻力，轨迹不是抛物线，近似一条平滑的弧线，一组连续变量的抛物线的组合，静升力，动升力，水平方向推力，空气的阻力，阻力消耗总功耗，单位水平距离功耗经济。
作为对本发明一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法的改进：
由氢气替换氦气后带来的气囊体积变化，引起水平运动的阻力变化，造成的平均能耗的变化，由于运动环境的复杂性，忽略不计。在飞行前，分别将计算好的氦气和氢气的分别注入到主、副气囊中；
在本发明中，由氢气替换氦气带来的体积的变化，引起的水平运动的阻力变化，造成的平均能耗的变化，由于运动环境的复杂性，忽略不计。
本发明一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法的技术优势为：
首先，对于给定的飞行航程，计算出飞艇所需要消耗的能量，然后根据这一数值换算成一定量氢气作为燃料时所能提供的能量。最后在飞行前将这定量体积的氢气充入到飞艇的副气囊中，以实现飞艇携带的氢气在最大程度上的利用。
本发明的有益之处在于，通过对设定的飞行参数进行一系列计算，对飞艇燃料的携带量进行估算，尽可能地减少燃料残余，使得氢能源飞艇的飞行过程更加的安全，进而拓展氢能源飞艇的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案下面将对实施例中所需要的附图做简要介绍
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，主副气囊相互独立，主气囊中填充氦气，副气囊中填充氢气。具体步骤如下：
步骤1：根据飞艇实际所处的飞行环境，考虑空气性质的影响因素，对空气重量密度进行修正；
海拔每升高1000m，空气密度降低10％。修正所充氦气的体积考虑温度对空气密度和氦气密度的影响，考虑高度对空气密度的影响；
步骤2：根据预设的飞行高度和飞艇载重，修正后的空气重量密度计算相对应所需氦气的体积V1；
F总＝(ρ空气-ρ氦气)×V1；F总＝(M飞艇+V1×ρ氦气)g；
F总是总静升力；ρ氦气是氦气的重量密度；V1是达到相对应的静升力时需要氦气的体积，M飞艇是飞艇的总重(包含舰体以及其他部件的重量)；飞艇使用常规外形材料，飞艇气囊具有柔性。
步骤3：对于给定的飞艇飞行的水平路程s，按照飞艇的平均速度v，飞艇发动机的平均输出功率为P平均，计算出飞艇的飞行时间t以及在此过程发动机输出的总能量Q；
t＝s/v，Q＝P平均×t；
其中t是飞艇飞行的时间，P平均是平均输出功率；Q是需要消耗的总能量；
步骤4：根据燃料电池的效率η，计算出改用氢燃料电池作为发动机时，所需要提供的能量，公式为Q1＝Q/η；
步骤5：根据Q1计算出，需要作为燃料的氢气的物质的量n氢气；
步骤6：根据氢气物质的量n氢气，计算出作为燃料的氢气所能提供的浮力F氢；
F氢＝(ρ空气-ρ氢气)×n氢气×22.4；
步骤7：根据氢气所能提供的静升力F氢气和总静升力F总之间的差值，计算出需要弥补的氦气的体积V1`；
F总-F氢＝(ρ空气-ρ氦气)×V1`；
其中V1`是改用氢气作为燃料时，需要作为浮升体积的氦气的体积；
n`氢气＝V1`/22.4；
在飞行前，分别将计算好的氦气和氢气的分别注入到主、副气囊中；
飞行过程中速度和升力的变化，考虑空气阻力，轨迹不是抛物线，近似一条平滑的弧线，一组连续变量的抛物线的组合，静升力，动升力，水平方向推力，空气的阻力，阻力消耗总功耗，单位水平距离功耗经济；
由氢气替换氦气后带来的气囊体积变化，引起水平运动的阻力变化，造成的平均能耗的变化，由于运动环境的复杂性，忽略不计。
在本实施例中飞艇预设的飞行高度为100m，飞艇总重500kg(不包含浮升气体的质量)，首先对空气重量密度进行修正(修正后的空气密度重量密度为1.0845N/m3)。经计算可得飞艇所需的静升力F总约为4741.1N，以及与之相对应的氦气的体积为597.72m3；
进一步地，飞艇预设的水平的航程为150km，飞艇的平均速度为50km/h，假定在此过程中发动机输出的平均功率为20kw，飞行时间为3h。在整个飞行过程中，飞艇发动机输出的总能量为2.16×108J。根据氢燃料电池效率(40-60％，取平均值)，即飞艇改用氢燃料电池驱动时，需要1.52×103mol(34.04m3)氢气作为燃料。
根据氢气的量，计算出氢气的质量以及氢气所能提供的静升力为338.86N；
根据作为燃料部分氢气所能提供的静升力与总静升力之间的差值，计算出所需要的氦气为2.50×104mol(560.84m3)；
按照上述所得的计算，在飞行前，分别将氦气、氢气冲入相对应的主、副气囊中，能确保在飞艇正常航行到达目的地的前提下，气囊中几乎没有氢气剩余。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，其特征在于：飞艇包括副气囊和主气囊，主气囊中填充氦气，副气囊中填充氢气，包括以下步骤：
步骤1：根据飞艇实际所处的飞行环境，考虑空气性质的影响因素，对空气重量密度进行修正；
步骤2：根据预设的飞行高度和飞艇载重，修正后的空气重量密度计算相对应所需氦气的体积V1；
F总＝(ρ空气-ρ氦气)×V1；F总＝(M飞艇+V1×ρ氦气)g
F总是总静升力；ρ氦气是氦气的重量密度；V1是达到相对应的静升力时需要氦气的体积，M飞艇是飞艇的总重；飞艇使用常规外形材料，飞艇气囊具有柔性。
步骤3：对于给定的飞艇飞行的水平路程s，按照飞艇的平均速度v，飞艇发动机的平均输出功率为P平均，计算出飞艇的飞行时间t以及在此过程发动机输出的总能量Q；
t＝s/v，Q＝P平均×t；
其中t是飞艇飞行的时间，P平均是平均输出功率；Q是需要消耗的总能量；
步骤4：根据燃料电池的效率η，计算出改用氢燃料电池作为发动机时，所需要提供的能量，公式为Q1＝Q/η；
步骤5：根据Q1计算出，需要作为燃料的氢气的物质的量n氢气；
步骤6：根据氢气物质的量n氢气，计算出作为燃料的氢气所能提供的浮力F氢；
F氢＝(ρ空气-ρ氢气)×n氢气×22.4；
步骤7：根据氢气所能提供的静升力F氢气和总静升力F总之间的差值，计算出需要弥补的氦气的体积V1`；
F总-F氢＝(ρ空气-ρ氦气)×V1`；
其中V1`是改用氢气作为燃料时，需要作为浮升体积的氦气的体积；
n`氢气＝ρ氦气V1`/(M氢气g)；
M氢气是氢气的摩尔质量。
2.根据权利要求1所述的一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，其特征在于：
海拔每升高1000m，空气密度降低10％，据此修正所充氦气的体积考虑温度对空气密度和氦气密度的影响，考虑高度对空气密度的影响。
3.根据权利要求2所述的一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，其特征在于：
飞行过程中速度和升力的变化，考虑空气阻力，轨迹不是抛物线，近似一条平滑的弧线，一组连续变量的抛物线的组合，静升力，动升力，水平方向推力，空气的阻力，阻力消耗总功耗，单位水平距离功耗经济。
4.根据权利要求3所述的一种氢能源飞艇燃料携带量的估算方法，其特征在于：
由氢气替换氦气后带来的气囊体积变化，引起水平运动的阻力变化，造成的平均能耗的变化，由于运动环境的复杂性，忽略不计。
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