CN113978697A

CN113978697A - 一种液氢燃料超远程翼身融合布局运输飞机及运行方法

Info

Publication number: CN113978697A
Application number: CN202111372594.5A
Authority: CN
Inventors: 雷国东; 李岩; 徐悦
Original assignee: Chinese Aeronautical Est
Current assignee: Chinese Aeronautical Est
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2041-11-18
Also published as: CN113978697B

Abstract

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局及运行方法。包括机翼、机身、液氢储箱、边界层吸入式推进装置；本发明采用大容积机身的亚跨声速翼身融合气动布局，解决既利用了液氢燃料高质量能量密度的优势，又规避了其体积能量密度过低的劣势，成倍地提高了运输飞机携带的总能量，但是带来的大容积机身对巡航效率的影响较小，在燃料重量系数不增加的条件下具有实现2～3倍于常规运输飞机航程的设计潜力并考虑了工程可实现性问题，边界层吸入式推进装置使推进系统对飞机本身的高巡航升阻比气动布局的破坏降低，飞控系统简单且具备工程可实现性。

Description

一种液氢燃料超远程翼身融合布局运输飞机及运行方法

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局及运行方法。

背景技术

对于民用飞机，当前航空器的“低碳绿色”问题日益引起全球关注，尽管目前液氢的整体经济性不如航空煤油，例如加氢站的成本过高需要大量政府补贴扶持，加氢站数量过少，蓝氢、绿氢产量比例过低等。在重型交通工具上必将推进氢能源应用的普及，其价格也必定会有大幅度降低的可能。液氢燃料的使用将导致飞机本身极大的改变，例如同等航程需要的巡航燃料重量将会大幅度降低从而导致飞机总体设计的较大改变。

对于特殊使用的运输飞机，当前大型运输飞机的最大航程为16000公里，如B-52、Tu-160轰炸机等，尽管“全球鹰”无人机以超大展弦比设计达到了 25000公里航程，但是大型运输飞机不可能采取此类气动布局，以我国为起点的航班跨洋航线里程为12000公里，往返需要达到24000公里，加上中途任务段航程，总航程为30000～40000公里，目前国内外没有现役或公开预研的运输飞机可以实现此类任务，而液氢燃料飞机可以轻松达到这个航程甚至可以更大。

超远程

液氢燃料本身完全不含碳元素，与氧气燃烧后的产物是水，这是终极“低碳绿色”能源；此外当前飞行器设计中的各类气动布局研究已经逼近飞行器的升阻比或巡航效率因子之极限，但是仍然无法满足20000公里，特殊用途需 30000公里的超远航程需求，本发明使用了高质量能量密度的液氢燃料替代同等重量的传统常规燃料，使推力比油耗下降为航空煤油的1/4～1/3，因为液氢燃料发动机或者氢燃料电池堆的比油耗即为航空煤油的1/4～1/3，造成了相当于飞机的巡航升阻比增加至原来3～4倍的效果；但是当前氢燃料电池堆的功率重量比过低，相当于涡扇发动机的1/10左右，无法在大型运输飞机上使用，而液氢燃料发动机在TsAGI和EADS等机构均获得试验飞行成功，只是随着能源危机缓解而放弃。考虑到技术可行性本发明使用液氢燃料涡扇发动机，液氢燃料的质量能量密度极高，其低热值为143.0MJ/kg，而一般的航空煤油或者汽油仅为 43MJ/kg，但是液氢的密度为0.071吨/立方米，航空煤油的密度为0.8吨/立方米，因此同等重量的液氢燃料需要常规油箱约11倍容积的储箱，而且必须超低温存储，且储箱只能设计在机身之中，因为机翼储箱难以保持超低温。

常规布局飞机布置超大容积液氢储箱将会造成机身粗大，或者需要外置储箱等问题，带来极大的附加浸湿面积，导致气动阻力剧增，飞机的气动性能剧烈下降；而翼身融合布局可以具有较大的机身容积，且其机身本身也产生升力，可以容纳下超大的低温液氢储箱，而且翼身融合布局本身的气动性能比常规布局显著优良，适宜作为液氢飞机的气动布局，尤其是边界层吸入式推进装置可以显著降低发动机附加于机体带来的气动阻力。长时间保存超低温液氢的储箱技术目前已经在民用液氢重型卡车、航天发射的液氢火箭上获得应用，说明技术已经成熟，其中液氢重型卡车需要保存液氢的时间为3～4天，与液氢飞机的使用要求基本相当。

现役运输类飞机中，B-2飞机是典型且唯一的飞翼气动布局，但B-2飞机并不能改造为液氢飞机，因为其机身内部容积极可能不足，极可能难以装下巡航所需的全部液氢燃料；此外B-2飞机的气动性能为隐身性能做出了较大的权衡，并不能发挥出飞翼式气动布局潜在的较高巡航效率，航程相对于B-52飞机并未有太大改进，飞控性能尤其是低速状态时极为勉强，因此类似的运输飞机改进空间极大。此外即便是仅带垂尾的翼身融合布局运输飞机也极少，因为在常规燃料体系下，尺寸较小的此类气动布局相对于常规气动布局并未有明显的运营优势反而问题颇多；尺寸较大的此类布局则存在需要的载客量过大而需要枢纽型机场。

发明内容

本发明的目的是：利用液氢燃料的高质量能量密度优势，规避其低体积能量密度劣势，利用翼身融合气动布局、边界层吸入式推进技术设计低气动阻力且大容积机身设计实现提升运输飞机航程至2～3倍，运输飞机为高巡航升阻比的气动布局设计，本发明升阻比在21～25，一般运输飞机在15～18，飞控系统简单且具备工程可实现性。

本发明的技术方案：液氢燃料运输飞机超远航程翼身融合布局，包括机翼、机身、液氢储箱、边界层吸入式推进装置；机翼没有内部油箱，相对于翼型弦长，翼型相对厚度在10％～17％，机翼气动舵面包括有阻力方向舵，采取襟副翼与翼上扰流板组合控制方式；机身采取升力体设计，相对于翼型弦长，翼型相对厚度在13％～20％，对于20000公里载客任务航程的运输飞机，4个液氢储箱布置于翼身结合部位，客舱布置于机身中央；对于30000～40000公里超远程载货运输飞机，4个液氢储箱靠近机身对称面布置，货舱布置于机翼机身结合部位；液氢储箱横截面均为圆形，可承受低于5个标准大气压的压力，液氢储箱为两大两小相对于机身对称面对称布置。边界层吸入式推进装置布置于机身中后部位置，采取全部或者部分吸入边界层气流设计。

机翼的外翼为C形两段可折叠设计，机翼最外侧设计有升降舵，阻力方向舵的展向内侧设计有襟副翼、增升装置，每侧机翼外侧上表面设计有两片可收放式垂直尾翼。

所述机身，长40～60米，宽30～60米，而翼展在80～120米，飞机最大起飞重量300～400吨；机身中部40％～60％宽度中央机身的前缘后掠角为50～70 度，主机翼的后掠角30～50度，中央机身部分前突；机身下腹部设计有可收放式腹鳍。

所述液氢储箱，呈圆桶状设计，长度占据了机身当地弦向长度的60％～80％，储箱总容积依据航程需求设计计算。

所述边界层吸入式推进装置，完全或者部分浸没于厚度达到1～3米的机身边界层之中，推进装置为内埋式布置，或设计有支撑装置将其抬升部分高度，进气道可被巡航攻角下的机身上表面曲线遮挡。

对于20000公里航程载客应用构型，所述尾翼为V型，其上设计有方向舵，并取消机翼上的阻力方向舵；对于30000～40000公里航程的载货运输飞机，所述布局采用完全无尾式设计，因而完全没有尾翼阻力，采取襟副翼与翼上扰流板组合的阻力方向舵控制航向。

液氢燃料运输飞机超远航程翼身融合布局的运行方法，包括以下步骤：

(1)液氢运输飞机以外翼折叠锁定状态滑行至机场指定位置，由特定加氢装置加注满足任务飞行需要的足量液氢，然后滑行至指定机场跑道；

(2)液氢运输飞机在机场跑道展开外翼并锁定，打开增升装置，滑跑至起飞速度，地面马赫数0.2～0.3，离开跑道，进入爬升阶段；

(3)爬升结束后收起增升装置，进入巡航阶段执行20000～30000公里的航程任务，在10000～13000米高度以0.6～0.9马赫速度飞行；

(4)巡航阶段结束，接近着陆机场，进入下降阶段，打开增升装置，进入下降着陆阶段；

(5)液氢运输飞机降至跑道地面后继续减速，停止后收起增升装置，收起外翼段并锁定，以较小的翼展在机场滑行，停放至指定停机位置，等待下一次飞行任务。

液氢储箱可以凸出机身上表面或下表面，且凸出部分不必与机身表面光滑过渡。

在翼身结合部位后缘设计内襟副翼，机身后缘也设计襟副翼。

边界层吸入式推进装置各个发动机的布置是单体分布的，或是一体集成式的。

本发明有益效果：具有三大显著的有益效果，一是燃料本身的反应排放物完全无碳，绿色环保，二是具有显著的燃料低成本潜力，三是可实现超远航程设计，远超常规燃料飞机的极限航程。

首先液氢燃料本身完全不含碳元素，完全不产生二氧化碳这类温室气体排放，同时能量密度很高可以实现稀薄燃烧，产生的NOX污染排放也可显著降低，这里提到氢燃料本身是因为氢的来源有可能不是绿色环保的，只有绿氢和蓝氢是绿色环保，使用灰氢，即化石燃料制氢而又不处理排放物，反而污染更严重，当前灰氢占据了全球氢气产量的95％，但是各国政府已经加大了对蓝氢和绿氢制造技术的推进，氢燃料来源的清洁性有望很快得到根本性解决。

其次从汽车行业来看，高压氢气燃料本身的使用成本相对汽油100公里燃料成本可降至50％以下，汽油的低热值接近航空煤油，相对于考虑了电池折旧费的纯电动汽车降低更大，尽管纯电费很便宜；加氢站的建设和运行成本过大，目前各国政府大力补贴仍然都是亏本运行，但是全球在绿色环保上已经达成共识，完全可以在数年之内使氢能源的经济性潜力变为现实。

实现超远航程是氢能源的能量特性决定的，目前对于一些超远航线一般采取转机或中途加油等方式处理，使用液氢能源后，类似从北京直航阿根廷首都的20000公里航程可以轻松实现，此外对于一些更远航程的特殊任务飞行需要 30000～40000公里的航程，如对地灾害监测、投放救援物资等采用液氢运输飞机也可轻松解决，而采用传统燃料运输飞机不可能实现，例如将液氢储箱装满航空煤油能否完成超远航程呢？不能，飞机的起飞都是严重问题。

附图说明

图1为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局俯视图；

图2为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局立体图；

图3为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局侧视图；

图4为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局前视图；

图5为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局带V尾俯视图；

图6为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局带V尾立体图；

图7为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局带V尾侧视图；

图8为本发明液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局带V尾前视图；

1-机翼、2-机身、3-液氢储箱、4-边界层吸入式推进装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明

如图1-4所示，液氢燃料运输飞机超远航程翼身融合布局包括机翼、机身、液氢储箱和边界层吸入式推进装置。机翼没有内部油箱，翼型相对厚度在 10％～17％，设计常规机翼结构件与气动舵面，阻力方向舵采取襟副翼与翼上扰流板组合工作模式，外翼上表面设计有两片可收放式垂尾，增强低速起降的飞控性能。机身是升力体，翼型相对厚度为13％～20％，对于客运用途飞机，最大航程设计为20000公里，液氢储箱布置于翼身结合部位，客舱布置于机身中央；对于特殊用途货运飞机，最大航程设计为30000～40000公里，液氢储箱靠近机身对称面布置而货舱布置于翼身结合部位。液氢储箱为圆桶状，直径随着机身厚度连续增减而增减且允许承受一定的内部压力，液氢储箱为两大两小相对机身对称面对称布置，采用绝热材料和结构设计，保持-253摄氏度的超低温度维持3～4天。边界层吸入式推进装置布置于机身中后部位，全部或者部分吸入边界层气流。

所述液氢运输飞机包括机翼的外翼为C形两段可折叠设计，以适应停留于一般民航机场对于飞机翼展的限制，由襟副翼与翼上扰流板组成的阻力方向舵，机翼的最外侧设计有升降舵，阻力方向舵的展向内侧设计有襟副翼、增升装置，每侧机翼的外侧上表面设计有可收放式垂直尾翼两片，用于低速起降状态下的航向控制。此外翼身结合部位后缘，机身后缘均设计有襟副翼。

所述液氢运输飞机包括机身长度在40～60米，机身宽度在30～60米，而整机翼展在80～120米，飞机最大起飞重量在300～400吨。机身中部40％～60％宽度的后掠角相对机翼部分较大，机翼的后掠角为30～50度，中央机身的后掠角为40～70度，将机身中央部分前突，使整机重心前移。机身下腹部设计有可收放腹鳍，仅用于低速起降状态航向控制。

所述液氢运输飞机包括液氢储箱呈圆桶状设计，储箱长度占据了所处位置的机身长度的60％～80％，外翼展弦比为4～6，依据航程设计计算液氢储箱的总容积，超低温储箱采用绝热材料和结构设计制造，可承受低于5个标准大气压的内部压力。

所述液氢运输飞机包括边界层吸入式推进装置，能够完全或者部分浸没于 1～3米厚度的机身边界层之中。推进装置为内埋式布置，或设计有支撑装置将其抬升部分高度，进气道可被巡航攻角下的机身上表面曲线遮挡。

如图5-8所示，对于20000公里航程的载客应用，所述液氢运输飞机包括 V型尾翼，取消机翼上的阻力方向舵设计，采用常规尾翼实现航向控制；对于一些特殊任务需求或者30000～40000公里超远航程，需要特别低阻的设计，采用襟副翼与翼上扰流板组合的阻力方向舵代替V尾和方向舵的功能。

(4)如要执行特殊任务，如洲际撤侨、对地灾害监测、投放救援物资等，以设定速度与高度在指定区域和路线飞行，实施监测和投放任务，然后进入返程巡航；

(5)接近着陆机场，进入下降阶段，打开增升装置，进入下降着陆阶段；

(6)液氢运输飞机降至跑道地面后继续减速，停止后收起增升装置，收起外翼段并锁定，以较小的翼展在机场滑行，停放至指定停机位置，等待下一次飞行任务。

原理说明

液氢燃料的质量能量密度为143MJ/kg，而一般飞机使用的航空煤油的质量能量密度为43MJ/kg，前者是后者的3倍以上。本发明使用了高质量能量密度的液氢燃料替代全部低质量能量密度常规航空燃料，按照单位时间内产生单位推力不同燃料需要的能量数值是1：1计算，实际上液氢的“比能耗”可以更低，使推力比油耗下降至航空煤油的1/4～1/3，液氢燃料发动机或者氢燃料电池堆的比油耗就是在航空煤油的1/4～1/3，从而造成了相当于飞机的巡航升阻比增加至原来3～4倍的效果，因此液氢飞机具有3～4倍于常规航空燃料飞机的极限航程；当前现役的运输类飞机如B-52飞机、Tu-160飞机等的最大航程为16000公里，换成同等重量的液氢燃料之后可以达到48000公里以上航程，而地球赤道周长才40000公里，因此实现20000公里或30000～40000公里航程需要的液氢燃料可以显著少于16000公里航程需要的航空煤油重量。

但是液氢的密度极低，同等重量的航空煤油换成液氢之后，需要的油箱容积将需要增至原来的11倍左右，而且需要超低温保存(-253摄氏度)，难以使用机翼油箱，只能使用机身油箱，一般的常规布局飞机机身容积有限，同时需要装载乘客或者货物，难以满足如此之大的液氢容积，这时候需要增大机身容积或者使用外部存储装置，这就造成飞机的外露面积增加，同时增加了飞机的压差阻力和摩擦阻力，飞机的巡航升阻比急剧下降，将极大的抵消液氢燃料高能量密度的优势。但是翼身融合气动布局尺寸达到一定程度后可以提供充足的机身容积，满足液氢燃料存储的需求，同时相对常规布局飞机，翼身融合布局的较高的巡航升阻比可以显著减少液氢的使用，导致需要的液氢存储容积的显著降低，从而实现了既利用了液氢燃料的高质量能量密度优势而又规避了液氢燃料低体积能量密度的缺陷。

如果按照同等航程设计，液氢燃料容积仅有航空煤油的4倍左右，这在工程上的实现性更强了。

Claims

1.一种液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，包括机翼、机身、液氢储箱、边界层吸入式推进装置；机翼没有内部油箱，相对于翼型弦长，翼型相对厚度在10％～17％，机翼气动舵面包括有阻力方向舵，采取襟副翼与翼上扰流板组合控制方式；机身采取升力体设计，相对于翼型弦长，翼型相对厚度在13％～20％，对于20000公里载客任务航程的运输飞机，4个液氢储箱布置于翼身结合部位，客舱布置于机身中央；对于30000～40000公里超远程载货运输飞机，4个液氢储箱靠近机身对称面布置，货舱布置于机翼机身结合部位；液氢储箱横截面均为圆形，可承受低于5个标准大气压的压力，液氢储箱为两大两小相对于机身对称面对称布置。边界层吸入式推进装置布置于机身中后部位置，采取全部或者部分吸入边界层气流设计。

2.如权利要求1所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，机翼的外翼为C形两段可折叠设计，机翼最外侧设计有升降舵，阻力方向舵的展向内侧设计有襟副翼、增升装置，每侧机翼外侧上表面设计有两片可收放式垂直尾翼。

3.如权利要求1所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，所述机身，长40～60米，宽30～60米，而翼展在80～120米，飞机最大起飞重量300～400吨；机身中部40％～60％宽度中央机身的前缘后掠角为50～70度，主机翼的后掠角30～50度，中央机身部分前突；机身下腹部设计有可收放式腹鳍。

4.如权利要求1所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，所述液氢储箱，呈圆桶状设计，长度占据了机身当地弦向长度的60％～80％，储箱总容积依据航程需求设计计算。

5.如权利要求1所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，所述边界层吸入式推进装置，完全或者部分浸没于厚度达到1～3米的机身边界层之中，推进装置为内埋式布置，或设计有支撑装置将其抬升部分高度，进气道可被巡航攻角下的机身上表面曲线遮挡。

6.如权利要求1所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局，其特征在于，对于20000公里航程载客应用构型，所述尾翼为V型，其上设计有方向舵，并取消机翼上的阻力方向舵；对于30000～40000公里航程的载货运输飞机，所述布局采用完全无尾式设计，因而完全没有尾翼阻力，采取襟副翼与翼上扰流板组合的阻力方向舵控制航向。

7.如权利要求1-6任意一项所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局的运行方法，其特征在于，液氢储箱可以凸出机身上表面或下表面，且凸出部分不必与机身表面光滑过渡。

9.如权利要求7所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局的运行方法，其特征在于，在翼身结合部位后缘设计内襟副翼，机身后缘也设计襟副翼。

10.如权利要求7所述的液氢燃料运输飞机超远程翼身融合布局的运行方法，其特征在于，边界层吸入式推进装置各个发动机的布置是单体分布的，或是一体集成式的。