基于新能源的航空动力系统结构设计

航空航天领域中新能源动力系统发展分析在全球对可持续发展和环境保护日益重视的背景下，航空航天领域的新能源动力系统发展显得尤为重要。

传统的航空航天动力系统主要依赖化石燃料，这不仅带来了巨大的环境污染问题，而且在能源安全和资源枯竭方面也引发了广泛关注。

随着技术的进步和政策的推动，新能源动力系统的研究与应用在航空航天领域逐渐成为一种趋势，不仅有助于降低碳排放，提高能源利用效率，还有助于推动未来航空航天产业的转型升级。

在新能源动力系统的发展过程中，多个技术方向展现出了良好的应用前景。

例如，电动航空、氢燃料电池和太阳能动力系统等都逐渐成为研究的重点。

这些新能源动力系统不仅可以降低对传统燃料的依赖，还能在提升飞行性能、降低运营成本和减少环境影响等方面带来明显优势。

电动航空是当前航空领域较为热门的研究方向之一。

其核心思想是通过电动发动机驱动飞行器，利用电池或其他形式的电源储存能量。

随着电池技术的进步，尤其是锂离子电池和固态电池的发展，电动航空的动力密度和能量密度都有了显著提升，逐渐接近甚至超过传统内燃发动机的性能。

电动机具有高效、安静、低维护的优点，使其尤其适合用于短途商业航班和通用航空。

与电动航空相辅相成的是氢燃料电池技术的迅速发展。

氢燃料电池通过electrochemically 反应氢气和氧气生成电能，其排放物仅为水，堪称绿色环保的一种优选方案。

在航空航天应用中，氢气可通过多种方式获取，如水的电解或生物质转化等，且其能量密度远超过传统锂离子电池，这使得氢燃料电池在远距离飞行任务中显示出巨大潜力。

许多航空公司正在对氢燃料飞机进行测试，期望在不久的将来实现商业化运营。

太阳能动力系统也是值得关注的重要方向之一。

太阳能技术已经在地面交通和建筑应用中取得了广泛应用，其在航空航天领域同样具备可观的前景。

利用太阳能太阳能电池板为飞行器提供动力，可以极大地减少燃料消耗，同时延长飞行时间。

近年来，一些实验性太阳能无人机的成功飞行证明了这一技术的可行性。

新能源动力系统在航空航天领域的应用研究航空航天领域一直是科技发展的前沿领域，不断探索创新的动力系统是实现飞行器高效、环保飞行的关键。

新能源动力系统作为一种新兴、清洁能源技术，正逐渐在航空航天领域引起人们的广泛关注。

本文将围绕新能源动力系统在航空航天领域的应用展开深入研究，探讨其在航空航天领域的重要性、发展现状和未来展望。

首先，新能源动力系统在航空航天领域的应用意义重大。

传统的燃油动力系统虽然能够满足飞行器的动力需求，但却存在着燃料资源有限、污染排放高等问题，严重制约了飞行器的可持续发展。

而新能源动力系统具有能源丰富、环保清洁的特点，可以有效减少对地球环境的影响，提高飞行器的能源利用效率，实现能源可持续利用。

因此，推动新能源动力系统在航空航天领域的应用具有重要的战略意义，有利于实现航空航天领域的可持续发展。

其次，新能源动力系统在航空航天领域的应用已经取得了一系列的成果和进展。

目前，太阳能、氢燃料电池、生物质能等多种新型能源已经被应用于飞行器的动力系统中。

其中，太阳能飞机、氢燃料电池无人机、生物质燃料火箭等新能源动力系统已经成功实现了飞行试验，并取得了令人瞩目的成就。

这些进展表明新能源动力系统在航空航天领域的应用具有广阔的发展前景，可以为飞行器提供更加清洁、高效的动力支持。

在面临能源资源日益紧缺、环境污染日益严重的时代背景下，加快具有十分重要的意义，也是当前科技发展的必然趋势。

未来，我们可以进一步深化新能源动力系统在航空航天领域的研究，不断优化新能源动力系统的性能和稳定性，实现其在航空航天领域的广泛应用。

同时，应不断加强新能源动力系统与飞行器其他系统的协同作用，提高整体能源利用效率，实现航空航天领域的可持续发展。

相信在不久的将来，新能源动力系统将会成为航空航天领域的主流动力系统，为人类探索宇宙、实现飞行梦想提供强有力的支持。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，新能源动力系统在航空航天领域的应用研究具有重要意义。

新能源动力系统在航空航天领域的应用研究随着世界各国对环境保护和可持续发展的重视，日益受到关注。

飞机和航天器作为传统燃油动力系统的主要使用者，其对环境的影响和能源消耗已经成为不容忽视的问题。

因此，研究新能源动力系统在航空航天领域的应用，不仅可以减少对环境的破坏，还可以提高能源利用效率，实现航空航天领域的可持续发展。

新能源动力系统在航空航天领域的应用研究，涉及到多个方面的内容。

首先，需要研究各种新能源动力系统的原理和特点，包括太阳能、风能、生物质能等多种形式的新能源。

其次，需要研究如何将这些新能源应用到飞机和航天器的动力系统中，例如研究新能源发动机的设计和优化，研究新型能源储存和管理系统等。

另外，还需要研究新能源动力系统在实际运行中的性能和可靠性，以及对航空航天领域的影响和未来发展趋势。

在研究新能源动力系统在航空航天领域的应用过程中，需要解决多个关键问题。

首先，需要解决新能源动力系统的能量密度和功率密度较低的问题，以确保飞机和航天器的运行性能。

其次，需要解决新能源动力系统的成本和可靠性问题，以确保其在航空航天领域的实际应用。

另外，还需要解决新能源动力系统的充电和换电设施不足的问题，以确保其在实际使用中的便利性。

在研究新能源动力系统在航空航天领域的应用过程中，需要多学科的交叉合作和创新思维。

例如，需要航空学、能源学、材料学等多个学科的专家共同合作，研究如何将新能源动力系统应用到航空航天领域中。

另外，还需要创新思维，不断探索新的技术和方法，以推动新能源动力系统在航空航天领域的应用发展。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，新能源动力系统在航空航天领域的应用研究具有重要意义和广阔前景。

通过研究新能源动力系统的原理和特点，以及解决其在实际应用中的关键问题，可以促进航空航天领域的可持续发展，实现环境保护和资源利用的双重目标。

希望未来能有更多的学者和科研人员投入到这一领域的研究中，共同推动新能源动力系统在航空航天领域的应用取得更大的进展。

电动飞机的设计与性能优化一、引言随着人们对环境保护与可持续发展的日益重视，电动交通工具在世界范围内得到了广泛应用。

在航空领域，电动飞机的出现为航空运输业带来了新的发展机遇。

本文将探讨电动飞机的设计与性能优化，以期为电动飞机的发展提供理论与实践的指导。

二、电动飞机设计的关键因素1. 动力系统设计电动飞机的动力系统是其设计的核心，主要包括电动机、电池组和控制系统。

电动机选择应考虑功率输出、重量、体积和效率等因素；电池组的设计需要平衡能量密度、充电时间和循环寿命等要求；控制系统则需要保证飞机的稳定性和安全性。

2. 结构设计电动飞机的结构设计应注重轻量化和强度优化，以提高整体性能。

采用先进的复合材料和新型材料，结构件进行优化设计，可以降低飞机的自重，提高载重能力和飞行效率。

3. 空气动力学设计电动飞机的空气动力学设计对降低阻力、提高升阻比至关重要。

通过减小飞机的表面粗糙度、优化气动外形以及提高气动效率等手段，可以在保证飞行稳定性的前提下提高飞机的速度和续航能力。

三、性能优化方法1. 负载匹配方法电动飞机的设计应根据任务要求选择合适的负载，并进行动力系统设计的匹配优化。

合理匹配负载和动力系统能够有效地提高电动飞机的续航能力和飞行性能。

2. 能量管理策略电动飞机的能量管理策略包括电池的管理、充电与放电控制以及能量的调度和分配。

通过合理管理电池的充放电过程，降低能量损耗，并将能量合理地分配到不同的飞行阶段，可以使电动飞机的性能得到最优化。

3. 材料优化采用先进的材料和结构设计方法，通过轻量化和强化结构，可以减少飞机的自重，提高载重能力和飞行效率。

同时采用复合材料可以减少飞机的空气动力学阻力，提高整体性能。

4. 气动优化通过对飞机气动外形的优化设计，减小空气动力学阻力，提高升阻比。

同时对于电动飞机来说，合理设计进气道和发动机外形，可以提高电机的冷却效果，减小飞机的噪声。

四、电动飞机性能优化的挑战与未来展望1. 气动与结构耦合优化电动飞机的空气动力学性能对其续航能力和飞行性能具有重要影响，而飞机的结构设计又与其空气动力学性能密切相关。

电动飞机的设计与性能分析随着环境保护意识的增强和科技的迅猛发展，电动飞机逐渐成为航空业界的热门话题。

作为未来航空的一种潜在替代方案，电动飞机具有低碳排放、低噪音、高效能等诸多优势，然而其设计和性能分析仍然是一个具有挑战性的任务。

一、电动飞机的设计要素1.动力系统：电动飞机的核心部分是电力系统。

电动飞机动力系统主要由电机、电池和控制器组成。

电机是转换电能为动力的关键部件，其选型应考虑功率输出、效率和重量等因素。

电池则负责储存和提供电能，其能量密度和充电速度是关键指标。

控制器则起到调控电流和电压的作用，保证动力系统的稳定运行。

2.气动外形：电动飞机的气动外形设计需要兼顾飞行性能和能源利用效率。

流线型的机身和翼面可以降低飞行阻力，提高飞行速度。

此外，充分利用电动飞机的垂直起降优势，采用适当的垂直起降装置，可以提高起降效率。

3.材料选择：电动飞机材料的选择对于其性能至关重要。

轻质高强度的材料可以减轻飞机的整体重量，提高飞行效率和航程。

一些先进的材料，如复合材料和新型金属合金，具有较好的抗腐蚀性和耐高温性，适用于电动飞机的设计。

二、电动飞机的性能分析1.起飞性能：起飞性能是电动飞机设计中的重要参数之一。

通过计算起飞滑跑距离和速度，以及爬升率和精确的起飞性能，可以评估电动飞机的起飞性能。

起飞性能的好坏直接关系到飞机的安全性和使用的灵活性。

2.巡航性能：巡航性能是电动飞机在稳定飞行状态下的性能指标，主要包括最大速度、最大巡航高度和耗油量等。

通过对电动飞机的巡航性能进行分析，可以评估其飞行效率和续航能力。

3.降落性能：降落性能是电动飞机抵达目的地时的重要指标。

通过分析初始下降率、着陆距离和速度等参数，可以评估电动飞机在降落过程中的安全性和稳定性。

4.噪音和环保性能：电动飞机作为低噪音和低碳排放的交通工具，其噪音和环保性能的分析也是重要的研究方向。

通过设计减噪音的飞行器外形和采用低排放的电力系统，可以进一步提高电动飞机的环保性能。

新能源飞机设计与研发方案一、实施背景随着全球能源结构的转变，航空业面临着巨大的碳排放压力。

根据国际能源署的报告，航空业将在2035年左右成为全球最大的碳排放来源之一。

因此，发展新能源飞机成为了航空业可持续发展的关键。

二、工作原理新能源飞机的工作原理主要基于先进的电池技术、燃料电池技术和太阳能电池板技术。

1.电池技术：采用高能量密度、高安全性的锂离子电池，为飞机提供电力。

2.燃料电池技术：使用氢气作为燃料，通过燃料电池反应产生电能，为飞机提供动力。

3.太阳能电池板技术：在机翼上安装太阳能电池板，利用太阳能为飞机提供电力。

三、实施计划步骤1.需求分析：明确新能源飞机的需求，包括航程、载客量、安全性等。

2.概念设计：根据需求分析结果，进行概念设计，包括机翼设计、机身设计、推进系统设计等。

3.技术研发：进行电池技术、燃料电池技术和太阳能电池板技术的研发。

4.详细设计：根据概念设计和技术研发结果，进行详细设计。

5.原型制造：制造新能源飞机的原型机，并进行地面测试和飞行测试。

6.生产准备：完成原型机的测试后，准备生产线的建立，并进行批量生产。

7.上市推广：完成上市前的准备工作，包括市场推广、客户培训等。

四、适用范围新能源飞机适用于短程和远程航线，可满足不同客户的需求。

根据不同的航线和载客量需求，新能源飞机可应用于以下场景：1.城市间交通：用于短程航线的运输，满足城市间快速交通的需求。

2.旅游航线：用于旅游航线的运输，为游客提供舒适的空中旅行体验。

3.货物运输：用于货物运输，满足物流行业的需求。

4.长途航线：用于远程航线的运输，满足长途出行的需求。

五、创新要点1.采用了先进的电池技术、燃料电池技术和太阳能电池板技术，提高了新能源飞机的能量利用率和续航能力。

2.采用了先进的推进系统设计，提高了新能源飞机的动力性能和飞行稳定性。

3.采用了先进的材料和制造工艺，降低了新能源飞机的重量和成本。

4.结合了航空航天领域的技术和新能源领域的技术，实现了新能源飞机的高效、安全、环保的飞行。

新能源在航天航空工程中的应用与发展趋势航天航空工程作为一项先进技术领域，对能源的高效利用和可持续发展提出了更高的要求。

新能源的应用，至关重要，不仅能提高航天航空工程的性能和效率，还能减少环境污染和资源消耗。

本文将探讨新能源在航天航空工程中的应用，并展望其未来的发展趋势。

一、电力系统电力系统在航天航空工程中占据重要地位，它为各种设备的供电提供了必要的能源。

传统的电力系统主要依赖化石燃料，但随着环保意识的增强和新能源技术的成熟，采用新能源来驱动电力系统逐渐成为主流。

1. 太阳能电池板太阳能电池板是目前最常用的新能源装置之一，它可以将太阳光直接转化为电能。

在航天航空工程中，太阳能电池板广泛用于卫星和空间站，为它们提供持续稳定的能源来源。

通过提高太阳能电池板的转换效率和耐受极端环境的能力，可以更好地满足航天要求。

2. 燃料电池系统燃料电池系统以氢气和氧气为原料，通过化学反应产生电能。

相比传统的化石燃料，燃料电池具有零排放、高效能和噪音低等优势。

在航天航空工程中，燃料电池被广泛应用于无人机和航天器上，为它们提供长时间、高能量密度的电力支持。

二、动力系统航天航空工程中的动力系统直接影响着航天器和飞机的性能和可靠性。

新能源的应用可以大幅度提高动力系统的效能和环保性。

1. 电动推进电动推进是新能源在航天航空领域应用的重要方向之一。

电动推进由电动机和电池组成，通过电能驱动航天器或飞机产生推力。

相比传统的涡喷发动机，电动推进具有零排放、低噪音和高效能等优势。

目前，电动推进在无人机和小型卫星中已经得到了广泛应用，并且有望在大型载人航天器中继续发展。

2. 生物燃料生物燃料是一种可再生能源，可以减少二氧化碳排放和化石燃料的依赖。

在航天航空工程中，生物燃料可以代替传统航空煤油，减少对环境的损害。

研究人员正在努力开发适用于航天器和飞机的生物燃料，并解决其能量密度和生产成本等问题。

三、未来发展趋势随着新能源技术的不断进步和成熟，航天航空工程中新能源的应用将会得到更大的拓展和发展。

航空航天工程师的航天器能源系统航空航天工程师是开发和设计航空航天器的专业人士，他们的工作涉及到各个方面，其中包括航天器的能源系统。

本文将讨论航空航天工程师在航天器能源系统方面的工作内容和挑战。

一、航天器能源系统的重要性航天器能源系统是航天器正常运行所必需的，它为航天器提供电力、热量和其他所需能源。

航天器的正常运行和任务的成功执行直接依赖于可靠且高效的能源系统。

因此，航空航天工程师要对航天器的能源系统进行全面的研究和设计。

二、能源系统的组成与功能1. 电力系统：航天器需要电力来供应各种设备和系统的正常运行，例如通信设备、导航系统、科学仪器等。

航空航天工程师负责设计电力系统的供电与配电方案，以确保足够的电力供应和合理的能源利用率。

2. 热控系统：航天器在宇宙空间中面临极端的温度变化，因此需要热控系统来保持航天器内部的恒温环境。

航空航天工程师需要设计热控系统，包括隔热材料、热控设备和温度控制算法等，确保航天器内部环境的稳定。

3. 推进系统：推进系统是航天器飞行过程中必不可少的部分，它提供航天器运动所需的推力。

航空航天工程师需要设计推进系统的发动机、燃料供应系统以及推进剂的储存和分配系统等，以确保推进系统的性能和可靠性。

三、挑战与解决方案1. 能源系统效率的提高：航天器能源系统需要在有限的资源条件下长时间工作，在保证正常运行的前提下，能源的利用率是一个重要的指标。

航空航天工程师需要通过优化能源系统的设计与控制算法，提高能源的利用效率，以满足航天器对长航时的需求。

2. 可靠性与故障排除：航天器是在极端工作环境中运行，任何能源系统的故障都可能对任务造成严重影响甚至失败。

因此，航空航天工程师需要进行全面的系统测试和故障排除，确保能源系统的可靠性和稳定性。

3. 新能源技术的应用：随着能源技术的不断发展，航空航天工程师也面临将新能源技术应用于航天器的挑战。

例如，太阳能和核能等新能源技术被广泛探索用于航天器的能源系统中，航空航天工程师需要研究和优化这些新能源技术的应用方案。

通航飞机新能源动力改型设计可行性初探
李岩;谭广琨;赵志高;张文琦
【期刊名称】《航空科学技术》
【年(卷),期】2024(35)1
【摘要】新一代飞机迫切需要研究的核心技术之一是航空能源转型技术,而降低飞机碳排放的有效途径是发展氢能源动力飞机。

本文分析了氢能飞机的推进技术和储存技术,构建了氢能飞机改型设计优化方法,针对某通航飞机利用该方法对不同的能源方案进行了计算和优化,验证了不同能源动力方案的可行性。

进一步对不同的动力装置组合进行了优化对比分析,分析了不同发动机方案带来的重量收益,并给出了不同起飞重量的飞机采用不同能源动力系统的重量,以期为不同类型和用途的飞机选取能源动力方案提供参考。

【总页数】6页(P91-96)
【作者】李岩;谭广琨;赵志高;张文琦
【作者单位】中国航空研究院;工信(北京)产业发展研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】V11
【相关文献】
1.强5改型飞机的总设计师——陆孝彭
2.老龄通航训练飞机机体结构损伤初探
3.改型设计中飞机普通框一种设计方法
4.通航飞机机身加长改型的气动验证
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基于氢能源的无人机动力系统研发随着气候变化日益严重，可再生能源逐渐成为人们关注的焦点之一。

氢能源作为一种清洁能源，在航空领域也逐渐受到关注。

无人机作为未来飞行器的重要组成部分，其动力系统的发展也备受关注。

本课题旨在探讨，分析现状，发现存在的问题，并提出对策建议。

一、现状分析1.1 氢能源在航空领域的应用现状在航空领域，氢能源作为一种清洁能源备受关注，并在飞机、无人机等飞行器上得到应用。

氢能源具有能量密度高、零排放等优点，可以减少对环境的污染，减缓气候变化。

在欧洲和美国，已经有多个航空公司开始研发和应用氢能源飞机。

然而，在无人机领域，对氢能源的研究还相对较少，需要进一步深入研究。

1.2 无人机动力系统的发展现状无人机动力系统主要包括燃油动力系统、电池动力系统和混合动力系统。

燃油动力系统具有续航能力强的优点，但存在排放和噪音大的问题；电池动力系统具有零排放的特点，但续航能力受限；混合动力系统综合了两者的优点，但系统复杂性高。

基于氢能源的无人机动力系统具有潜力成为未来发展的方向，但仍存在一些问题需要解决。

二、存在问题2.1 氢能源在无人机领域的应用受到限制目前氢能源在无人机领域的应用仍受到一些限制，主要包括氢能源存储技术尚未成熟、氢能源的安全性问题、氢能源供应链的不完善等。

这些问题影响了氢能源在无人机领域的推广和应用。

2.2 无人机动力系统的续航能力需提升目前无人机的续航能力仍是一个亟待解决的问题。

尤其是在领域需要长时间飞行、覆盖范围广泛的场景下，续航能力成为无人机的重要性能指标。

基于氢能源的无人机动力系统有望提升无人机的续航能力，但仍需进一步研究和优化。

三、对策建议3.1 完善氢能源存储技术为提高氢能源在无人机领域的应用前景，需要加大对氢能源存储技术的研究和改进。

目前氢气在高压、低温下的存储是一种常见的方式，但需要解决氢气泄漏和爆炸等安全问题。

未来可以考虑开发新型的氢能源存储技术，如固态氢存储技术、液态有机氢载体等。

飞行器动力系统设计与分析一、引言飞行器动力系统是飞行器的重要组成部分，是保证飞行器正常运行和完成任务的关键。

动力系统的设计与分析，直接关系到飞行器的性能、安全和经济性，是航空工程领域的一个重要研究方向。

本文将围绕飞行器动力系统设计与分析展开讨论，对动力系统的结构、分析及优化进行探讨。

二、飞行器动力系统结构飞行器动力系统一般由发动机、传动系统、燃油系统、点火系统、冷却系统等部分组成。

其中，发动机是动力系统的核心部分，其结构类型可分为活塞式发动机、涡轮式发动机等。

不同结构类型的发动机具有不同的性能特点，需要根据飞行器的需求加以选择和优化。

传动系统主要有传动箱、减速箱、离合器、变速器等组成，主要作用是将发动机的输出效率提高，使其能够适应不同的飞行环境。

燃油系统用于储存、输送和过滤燃油，确保发动机供应充足、干净的燃料。

点火系统主要是将燃料与空气混合后，通过高压电火花点燃，从而使发动机转动。

冷却系统用于将发动机产生的热量排出去，保证发动机不过热，保持正常的工作温度。

三、飞行器动力系统分析飞行器动力系统的分析主要涉及热力学、流体力学、机械设计等多个学科领域。

其中，热力学分析主要通过研究发动机的热效率、燃油消耗量、气缸压缩比等指标，评价其工作状态和性能优劣。

流体力学分析主要研究工质在传动系统和冷却系统中的流动特性，以及各个部件之间的流量匹配等问题。

机械设计分析主要涉及传动系统、冷却系统等各个部件的尺寸、重量、强度等设计参数的优化。

四、飞行器动力系统优化飞行器动力系统的优化主要是通过改进设计和技术手段，提高工作效率、降低燃油消耗、减轻重量等方面来优化系统性能。

具体来说，优化措施包括以下几个方面：（1）发动机优化。

通过改进气门设计、提高燃烧效率、减小气缸体积、选用高效燃料等手段来提高热效率，从而提高发动机的性能。

（2）传动系统优化。

通过合理匹配传动箱、减速箱等装置，以及优化传动比，使得传动系统的效率得到提高。

（3）燃油系统优化。

新能源技术的航空航天与航海工程导言：随着人类社会的发展，对能源需求的增长和对环境问题的关注逐渐成为当今世界面临的重要挑战。

为了应对这一挑战，新能源技术的研究与应用日益受到重视。

尤其在航空航天和航海工程领域，新能源技术的应用具有巨大潜力，可以提高交通工具的能源利用效率，减少环境污染，为可持续发展做出贡献。

本文将探讨新能源技术在航空航天与航海工程中的应用，并分析其带来的影响与挑战。

一、新能源技术在航空航天工程中的应用航空航天工程是目前世界上能源消耗最为巨大的领域之一。

传统的燃油动力对环境造成了严重的污染，而新能源技术的应用可以显著改善这一状况。

以下是几种新能源技术在航空航天工程中的应用：1. 电动飞机随着电池技术的进步，电动飞机正逐渐成为未来航空领域的发展方向。

电动飞机不仅可以减少燃油消耗和碳排放，还可以降低噪音污染，提高飞行的安静性和舒适性。

虽然目前电池的储能能力还有限，但随着技术的不断突破，电动飞机有望逐渐取代传统燃油飞机，成为主流。

2. 太阳能飞机太阳能飞机以太阳能电池板为能源，可以利用阳光转换为电能，从而驱动飞机进行飞行。

太阳能飞机在航空领域中具有重要的意义，它完全依赖清洁能源，几乎没有任何排放物质，是一种低碳环保的飞行方式。

然而，太阳能飞机的性能受到天气和能源存储的限制，需要在技术上得到更多突破才能实现商业化应用。

3. 氢燃料飞机氢燃料飞机是利用氢气作为燃料进行飞行的飞机。

相比传统的燃油，氢气是一种清洁、可再生的能源，燃烧产生的唯一排放物是水蒸气。

氢燃料飞机具有极高的能源效率和零排放的特点，可以减少温室气体的排放，降低航空工业对环境的负面影响。

二、新能源技术在航海工程中的应用航海工程是海洋交通领域的重要组成部分，也是能源消耗较大的行业之一。

新能源技术在航海工程中的应用可以为石油和天然气等传统能源提供有效替代，减少对有限资源的依赖。

以下是几种新能源技术在航海工程中的应用：1. 风能利用航海工程中常常利用风能作为船只的动力。

飞行器性能提升的动力系统创新在人类不断探索天空和宇宙的征程中，飞行器的性能提升始终是一个关键的研究领域。

而在众多影响飞行器性能的因素中，动力系统的创新无疑起着至关重要的作用。

从早期的内燃机到现代的喷气发动机，再到正在崭露头角的新能源动力系统，每一次动力系统的重大创新都为飞行器的发展带来了质的飞跃。

传统的内燃机在飞行器发展的早期曾经占据主导地位。

然而，由于其功率密度相对较低、重量较大以及燃料消耗率较高等问题，逐渐难以满足飞行器对高性能的要求。

随着科技的进步，喷气发动机应运而生。

喷气发动机通过将空气吸入、压缩、与燃料混合燃烧后高速喷出，产生强大的推力，极大地提高了飞行器的速度和飞行高度。

但是，现有的喷气发动机也并非完美无缺。

在追求更高性能的道路上，工程师们面临着一系列的挑战。

例如，高温高压环境对发动机材料的苛刻要求，如何提高燃油效率以降低运营成本和减少对环境的影响，以及如何进一步增加发动机的推力和可靠性等。

为了解决这些问题，科研人员在多个方面进行了创新探索。

材料科学的进步为制造更耐高温、高压和高强度的发动机部件提供了可能。

新型的合金材料、陶瓷复合材料以及热障涂层等的应用，使得发动机能够在更加恶劣的条件下稳定运行。

在燃烧技术方面，精细化的燃油喷射和燃烧控制策略能够提高燃烧效率，减少污染物排放。

同时，通过优化发动机的气流通道和涡轮叶片设计，可以更有效地利用气流能量，提高发动机的整体性能。

除了对传统喷气发动机的改进，新能源动力系统也逐渐成为研究的热点。

电动动力系统具有零排放、低噪音和高效率等优点。

在小型无人机和城市短途飞行器领域，电动动力系统已经开始得到应用。

然而，目前电池技术的能量密度仍然限制了其在大型飞行器上的广泛应用。

为了突破这一限制，科研人员正在致力于研发更高性能的电池，如固态电池和锂硫电池等。

此外，太阳能动力系统也是一个具有潜力的发展方向。

太阳能电池板的效率不断提高，为飞行器长时间飞行提供了一种可持续的能源解决方案。

基于燃料电池的无人飞机混合动力系统设计王珂;陈维荣;李奇;赵振元【摘要】A fuel cell battery hybrid system for UAV was designed based on the characteristic of fuel cell and UAV; diode and DC/DC was used to control the out put of battery. The scheme of the hybrid system was discussed first and then the design of both hardware and software was presented in this paper. Finally, through the experimental test, the hybrid system was proved successfully, which could not only make the fuel cell working safely but also fulfill the demand of the UAV.%在分析了燃料电池的特性及无人机要求的基础上,设计了一套应用于燃料电池无人飞机的混合动力系统,并利用二极管和DC/DC末端电压的调整来实现锂电池的投入和切出.讨论了混合系统的方案,给出了系统的软硬件设计.最后通过实验测试,验证了该系统达到设计要求,既能保证燃料电池的安全长寿,又可满足无人机的功率需求.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2013(037)002【总页数】4页(P214-217)【关键词】燃料电池;无人机;混合动力【作者】王珂;陈维荣;李奇;赵振元【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610000;西南交通大学电气工程学院,四川成都610000;西南交通大学电气工程学院,四川成都610000;西南交通大学电气工程学院,四川成都610000【正文语种】中文【中图分类】TM911燃料电池作为一种清洁的新能源，以其零排放、高效率、高能量密度和质量轻等特点非常适合在移动场合应用。

第３５卷第１期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．１２０２４年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２７Ｇ３５氢电锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计王㊀宇１,２㊀伍庭佳１,２㊀李㊀湘１,２㊀余雄庆１,２１．南京航空航天大学航空学院,南京,２１００１６２．飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,２１００１６摘要:针对通勤类飞机总体设计参数和飞行任务剖面需求,根据氢电锂电推进系统架构方案,提出了推进系统参数匹配方法和能源动态平衡管理策略.以１９座级通勤飞机作为验证对象,对其动力装置和储备能源进行了选型和管理研究.根据选型的分布式推进气动布局方案,进一步采用全析因试验设计方法分析了螺旋桨转向对飞机气动特性的影响,获得了有利于飞机巡航状态的螺旋桨转向配置方案.关键词:通勤类飞机;燃料电池;参数匹配方法;分布式电推进中图分类号:V ２２１D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０１．００２开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):M a t c h i n g D e s i g no fD i s t r i b u t e dP r o p u l s i o nS y s t e m s f o rH y d r o g e n ＧL i t h i u m B a t t e r i e sP o w e r e dC o m m u t e rA i r c r a f t sWA N G Y u １,２㊀WU T i n g j i a １,２㊀L IX i a n g １,２㊀Y U X i o n g q i n g１,２１．C o l l e g e o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,２１００１６２．K e y L a b o r a t o r y o f F u n d a m e n t a l S c i e n c e f o rN a t i o n a lD e f e n s e Ｇa d v a n c e dD e s i g nT e c h n o l o g y of F l igh tV e hi c l e ,N a nj i n g,２１００１６A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e o v e r a l l d e s i g n p a r a m e t e r s a n dm i s s i o n p r o f i l e r e q u i r e m e n t s o f c o mm u t e r a i r c r a f t s ,a c c o r d i n g t ot h eh y d r o g e n Ｇl i t h i u m p r o p u l s i o ns y s t e m a r c h i t e c t u r es c h e m e ,t h e p r o pu l s i o n s y s t e m p a r a m e t e rm a t c h i n g m e t h o d a n d e n e r g y d y n a m i c b a l a n c em a n a g e m e n t s t r a t e g y w e r e p r o p o s e d ．A１９Ｇs e a t c o mm u t e r a i r c r a f tw a su s e d t os e l e c t a n d m a n a g e t h e p o w e r p l a n t a n dr e s e r v e e n e r g y．A c Ｇc o r d i n g t o t h e s e l e c t e dd i s t r i b u t e da e r o d y n a m i c l a y o u t s c h e m e ,t h e nt h ee f f e c t so f p r o pe l l e r r o t a t i o n d i r e c t i o n s o na i r c r af ta e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d w i t hf u l l f a c t o r i a ld e s ig no fe x pe r i Ｇm e n t s ,a n d t h e o p t i m u m p r o p e l l e r r o t a t i o nd i r e c t i o n c o nf i gu r a t i o n f o r a i r c r a f t c r u i s e s t a t e sw a s o b t a i n e d ．K e y wo r d s :c o mm u t e r a i r c r a f t ;f u e l c e l l ;p a r a m e t e rm a t c h i n g m e t h o d ;d i s t r i b u t e d e l e c t r i c p r o p u l Ｇs i o n收稿日期:２０２３０５０９基金项目:国家自然科学基金(１２０３２０１１);湖南创新型省份建设专项经费(２０２２G K １０７０);山西省科技重大专项计划 揭榜挂帅 项目(２０２１０１１２０４０１００７)０㊀引言新能源飞机以电能㊁氢能和可持续航空燃料作为推进能源,对实现航空领域的绿色环保㊁高效节能,完成 双碳目标 具有重要意义.电动飞机引领航空技术创新㊁推动绿色航空发展,将对世界航空业产生革命性的影响[１].目前很多国家针对通航飞机开展了氢燃料电池与锂电池等电推进技术的研究.氢燃料电池飞机依靠燃料电池将所储存的氢气及空气中的氧气转化为电能提供给飞机.虽然氢燃料电池系统能量密度较高,但是功率密度较低,为满足航空动力要求,一般要与功率密度高的锂电池配合使用.针对氢电锂电混合动力电推进系统在飞机上的应用,国外开展了一些理论分析研究.T R A I N E L L I 等[２]以T e c n a m P ２０１２飞机平台为例开展了氢燃料电池动力改型的总体性能分析,结果表明改型后有效载荷减少５０％以上.P A L A I A 等[３]针对常规机翼机身和盒式机翼两种布局形式的中短程飞机,研究了液氢推进系统对飞机主要性能的影响,结果表明氢动力飞机能有效提高动力系统功重比.WA D D I N G ＧT O N 等[４]研究了液氢燃料电池电力推进系统在集成到与波音７３７Ｇ８００性能相当的单通道飞机时对飞机产生的影响,并说明了液氢/燃料电池推进系统在商用飞机应用中的可行性.P A S T R A等[５]对涡桨飞机应用氢电锂电混合动力方案可行性进行了评估,并计算了不同混合配置下质子交换膜燃料电池和锂电池组合动力的效率与收７２益.国内主要是针对氢电锂电飞机在总体㊁气动㊁系统及支持设施等学科领域开展研究.黄俊[６]指出氢电锂电飞机在提高飞机气动效率㊁载运能力㊁环保性和鲁棒性等方面是一种航空领域的颠覆性技术.在氢能飞机总体概念设计领域,荆戈[７]针对E２０ＧF C两座氢能飞机给出了概念设计方法,并对飞机的推进系统㊁总体布局进行了方案设计.李毅波等[８]对跨领域飞行器 空地两用燃料电池轻型飞机的总体参数进行了设计㊁建模与分析,其方法可用于此类飞行器的快速设计与参数权衡.刘福佳等[９]提出了轻型电动飞机依据任务剖面㊁商载和航程估算起飞总质量的方法.而对于分布式电推进分布概念在氢能飞机上的应用,孔祥浩等[１０]论证了飞机燃料电池混合动力系统及分布式电推进系统方案的可能性,并指出分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,且需要与多学科交叉融合共同发展.目前国内外主要是以新能源小型飞机或垂直起降飞机为研究对象评估和分析氢电锂电混合动力电推进技术对飞行性能和方案设计的影响,而针对支线客机和通勤飞机的研究,特别是考虑动力装置架构㊁气动布局和飞行平台性能之间的耦合关系与匹配情况的研究尚处于起步阶段.基于此研究背景,本文提出了１９座级通勤飞机推进系统参数匹配设计方法,并对分布式气动布局方案进行分析,选取最优气动构型.１㊀氢电锂电混动架构方案采用氢燃料电池＋锂电池混合动力方案的飞机电力系统主要包括氢燃料电池堆(P E M F C)㊁储氢罐㊁锂电池㊁D C/D C转换器㊁电机控制器㊁电机㊁螺旋桨㊁电缆线以及能量管理系统.锂电池和氢燃料电池通过D C/D C转换器改变输出的电压,通过电机控制器调节电机转速,驱动螺旋桨产生前进的拉力,锂电池作为辅助电池.考虑到飞机需求功率变化范围较大,氢燃料电池实际上只需要满足平均功率需求即可,超出平均功率的部分由锂电池补充,而当锂电池电量不足时,氢燃料电池又能同时为锂电池充电,从而提高整个能源供应系统的可靠性和稳定性.氢燃料电池和锂电池混合动力架构方案如图１所示[１１].１．１㊀储能电池氢燃料电池使用质子交换膜燃料电池,具有较高的能量转换率和较小的工作温度限制,且工作点稳定,不受卡诺循环的限制[１２],能量密度最高可达锂电池能量密度的上百倍,这对实现航空图１㊀氢燃料电池和锂电池混合动力架构[１１]F i g．１㊀H y d r o g e n f u e l c e l l a n d l i t h i u mＧi o nb a t t e r y h y b r i dp r o p u l s i o na r c h i t e c t u r e[１１]轻量化具有重要意义,但氢燃料电池(加储氢罐)的功率密度通常不超过７５０W/k g.而锂电池则相反,功率密度可超过２０００W/k g,而目前工业级锂电池能量密度仅为２５０W h/k g[１３],因此,氢燃料电池搭配锂电池储能可满足飞机起飞爬升阶段大范围功率变化和快速响应的需求,是目前航空应用的最佳方案.１．２㊀储氢瓶氢气通常有三种储存方式,高压气态储氢㊁液态储氢和固态储氢.其中液态储氢需要将氢气冷却至－２５３ħ,同时液化需要消耗大量的能量,并且需要低温储存,目前尚不适合于航空运输.固态储氢依靠氢与稀土合金或纳米材料发生化学反应或物理吸附来储存,这类储氢方式储氢密度大㊁储氢压力小㊁安全性高,但是目前技术尚未成熟,未来具有较大发展潜力[１４].现阶段的主要储氢方式是采用高压气态储氢,它具有充放氢气速度快㊁容器结构简单等优点,常用气瓶有３５M P a和７０M P a两种形式[１５].１．３㊀电机目前高功率电机主要有永磁同步电机(无刷直流电机)和超导电机两种.超导电机采用超导体代替常规材料实现机械能与电能的转换,此技术尚未成熟.目前在电动飞机上应用较多的是永磁同步电机,它具有功重比较大㊁效率高和可靠性高的特点,同时电机具有相对尺度无关性,可用多个小功率电机取代单个大功率电机,两者的功率密度和质量基本保持不变,这为分布式气动设计提供了条件,可结合推进㊁气动学科得到综合性能的收益[１６].１．４㊀螺旋桨螺旋桨作为将电机的功率转化为飞机向前推力的重要装置,根据桨叶角是否可调分为变距螺旋桨和定距螺旋桨.定距螺旋桨只能在部分选定速度范围内效率最高,但构造简单㊁质量轻,故被广泛应用于轻型飞机.变距螺旋桨可通过调整桨８２中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月距来满足不同飞行任务阶段需求.２㊀氢电锂电推进系统参数选型匹配氢电锂电推进系统匹配要求选型的新能源装置满足飞机重量和运载能力要求,根据适航条例和飞机总体设计参数,对飞机推进装置进行选型匹配.２．１㊀任务需求功率计算根据飞机总体设计要求,由飞机在起飞滑跑㊁爬升㊁巡航㊁下降阶段运动方程计算飞机各任务阶段需求功率.其中起飞滑跑过程可近似看作飞机匀加速运动,爬升和下降阶段可视为飞机以定常上升或下滑,巡航阶段可视为飞机处于平衡状态,即升力与重力㊁阻力与推力相平衡.起飞滑跑阶段功率由文献[９]进行估算:P L O F＝W T O a(v c l/３．６)＋W T O f g(v l d/３．６)＋ρ(v l d/３．６)３S(C x_T O－f C y_T O)２(１)s TO R＝v２l d２a(２)式中,a为起飞滑跑阶段的加速度;s TO R为起飞滑跑距离; P L O F为起飞滑跑阶段消耗的平均功率;v l d为飞机离地速度;f为地面摩擦因数;ρ为空气密度;S为机翼面积;v c l 为爬升阶段平均速度;W T O为飞机起飞质量;g为重力加速度;C x_T O为起飞滑跑阶段飞机阻力系数;C y_T O为起飞滑跑阶段飞机升力系数.爬升阶段功率可根据定常爬升计算:P c l＝W T O g v c l c o sα３．６L c l＋W T O g v c l s i nα３．６(３)式中,P c l为爬升阶段所消耗的平均功率;α为爬升角;L c l 为爬升阶段飞机升阻比.巡航阶段功率可根据飞机平衡状态计算:P V C＝W T O gL V C v C(４)式中,P V C为飞机巡航时所需功率;v C为飞机巡航速度; L V C为巡航阶段飞机升阻比.飞机在各飞行阶段所需的功率由氢燃料电池和锂电池共同提供.２．２㊀电机参数选择电机功率指标有持续功率和峰值功率两种.持续功率也称为额定功率,是指电机稳定工作能持续输出的功率,它随着螺旋桨的转速变化而变化,而峰值功率是指在特定转速下电机所能达到的最大功率[１７].选型电机应根据飞行任务剖面功率需求而定.在起飞滑跑阶段,电机需要短时间提供较大的功率,此功率应小于电机总的峰值功率.而巡航阶段占总飞行时长较长,电机应该以持续功率长时间工作,任务所需功率应接近电机最大持续功率,即P L O F＜N P p e a kηmηpηc(５)P V CʈN P c o n t i o u sηmηpηc(６)式中,N为电机总个数;P p e a k㊁P c o n t i o u s为单个电机的峰值功率和持续功率;ηm为电机的工作效率;ηp为螺旋桨工作效率;ηc为电机控制器的工作效率.电机个数选择应与单个电机功率具有较好的匹配关系[１８],如下式所示:P S１＝(l N kd)４vσD NΩl(７)式中,P S１为匹配较好的单个电机功率;l为机翼的展长; k d为直径系数;v为飞机飞行速度;σ为空气相对密度;Ω为电机的转速;D为参考机型螺旋桨直径.实际上分布式电推进飞机单个电机的功率为参考机型电机总功率除以电机个数的平均值:P S２＝P m N(８)式中,P m为参考机型电机总功率.当P S１与P S２近似相等时,电机功率与螺旋桨具有较好的匹配关系.２．３㊀螺旋桨参数选择由于巡航在飞机任务阶段中占比时间较长,且直接影响飞机的续航时间,因此螺旋桨直径和性能参数估算应以巡航段作为设计参考点,相关公式[１９]如下:D p＝k d４P s c vσn(９)C P＝P s cρn３D５p(１０)C T＝T s cρn２D４p(１１)ηp＝J C T C P(１２)式中,D p为螺旋桨的直径;P s c为单个电机在飞机巡航时输出功率;n为螺旋桨的转速;T s c为单个螺旋桨产生的牵引力;J为螺旋桨进距比;C T㊁C P分别为螺旋桨的拉力系数和功率系数.２．４㊀电池组参数选择氢燃料电池搭配锂电池的储能方案应满足驱动电机电压变化要求,使得电池组输出功率与电机负载匹配.选型的氢燃料电池节数设为n１,锂电池节数设为n２;氢气罐个数设为n３.单节氢燃料电池电压记为U H２,输出功率记为P H２,质量记为W H２;单节锂电池电压记为U b a t,输出功率记为P b a t,质量记为W b a t,所含电能记为E b a t.单个７０M P a储氢罐质量记为W j a r,质量储氢密度记为ρmH２.氢燃料电池与锂电池输出电压之和应与电机工作电压近似相等(不考虑额外电压损耗),输出９２氢电锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计 王㊀宇㊀伍庭佳㊀李㊀湘等功率之和经D C /D C 转换器㊁电机控制器效率损耗后提供电机负载功率,在满足电池组总质量约束W s u m 限制下,使得能量E s u m 达到最大.电池组能量包括锂电池所含电量和氢气罐高压氢气化学反应产生的化学能.设１m o l 氢气发生化学反应生成液态水所能产生的能量为Q ,则Q ＝２４１k J /m o l ,每千克氢气物质的量为５００m o l ,因此电池组总能量为E s u m ＝５００n ３W j a r ρmH ２Q ＋n ２E ba t (１３)电池组参数选择可提炼为如下优化问题:m a x ㊀E s u ms ．t ．ηm ηC ηD C (n １P H ２＋n ２P Ba t )ȡP mm a x n １U H ２＋n ２U B a t ʈU m n １W H ２＋n ２Wb a t ＋n ３W j a r ɤW s u müþýïïïï(１４)式中,ηD C 为D C /D C 转换器的工作效率;P mm a x 为电机总的峰值功率;U m 为电机的工作电压.３㊀氢电锂电动态平衡能量管理实际上氢燃料电池的氢气并不能完全消耗,燃料电池堆的最大转化效率为０．６[２０],而锂电池为了保障飞机安全,通常也会留下２０％的电池余量.飞机在真实飞行中会受到突风影响,因此飞机的需用功率在不断变化,为了模拟飞机功率变化情况,设置固定间隔时间内任务功率在ʃ１０％的范围内变化.在氢电锂电混合方案中,氢气的单位时间消耗量随着燃料电池的输出功率变化而改变,导致锂电池单位时间消耗能量与氢气消耗量不能达到平衡,从而会出现锂电池或燃料电池中某一能源过度消耗,而另一种能源消耗较少的情况.为了避免这种情况发生,本文设计了燃料电池混合能源的动态平衡能源策略,对燃料电池和锂电池的功率进行动态分配[２１].氢气剩余比例表示为S H ２,锂电池的剩余电量百分比表示为S b a t ,以S (S ＝S b a t －S H ２)表示二者之差.当锂电池的剩余电量大于安全电量２０％时,共对应三种情况:(１)S ＜－３％(负状态),表示锂电池相对于燃料电池消耗过快,燃料电池在下一间隔时间内应给锂电池充电,锂电池此时为充电时最大负功率,燃料电池同时给负载和锂电池供电.(２)－３％ɤS ɤ３％(状态均衡),表示锂电池相对于燃料电池消耗基本处于持平状态,在下一间隔时间内,锂电池的输出功率应保证燃料电池的效率ηF C 最高.(３)S ＞３％(正状态),表示锂电池相对燃料电池消耗要低,下一时刻应当将超出比例的电荷全部释放掉.根据电荷和释放时间,可以计算出锂电池的输出功率.当锂电池的剩余电量到达安全电量２０％时,锂电池不再工作,此时负载功率全部由燃料电池提供,直到氢气完全消耗完.图２为能量动态平衡策略流程示意图.图２㊀动态能量平衡策略流程F i g ．２㊀D y n a m i c e n e r g y b a l a n c e s t r a t e g ypr o c e s s０３ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月㊀㊀氢气和锂电池初始剩余比例为１,根据锂电池的剩余电流和两者剩余的差值比例来判断工作状态,通过执行每种状态下的算法对差值比例进行动态调整,保证锂电池的耗电量和氢燃料电池的耗氢量维持动态平衡.图２中,P b a t表示当前锂电池的输出功率;P F C表示当前燃料电池的输出功率;P l o a d表示当前电机负载功率;ΔS b a t表示锂电池在Δt时间段内电量变化的百分比,ΔS b a t＝P b a tΔt/Q t o t a l;ΔS H２为氢气在Δt时间内消耗占比,ΔS H２＝C F CΔt/m H２;C F C为单位时间内氢气的消耗质量,可根据B a l l a r d氢燃料电池公司提供的公式C F C＝１．６８８７５F H２(ρH２/ρ)进行估算(F H２表示氢气的流量,与燃料电池单元数量的电流大小有关;ρH２为氢气在当前气压下的密度).４㊀应用算例本文以１９座级通勤飞机YＧ１２F作为研究对象,按照氢电锂电推进系统参数匹配方法,对以燃油为动力的飞机动力装置进行新能源选型.最后按照选型结果对任务功率进行动态分配,对推进系统能量储备进行管理.按照飞机总体设计要求和任务剖面运动方程计算各任务阶段发动机需用功率,如表１所示.表１㊀各任务状态需用功率T a b．１㊀T h e r e q u i r e d p o w e r f o r e a c hm i s s i o n s t a t e任务剖面时间(s)需用功率(k W)起飞滑跑１５．２５１３１４．９爬升４２８．５７１１２８．６７巡航１４１１２９７５．８７下降４２８．５７１３１．４９㊀㊀根据任务需用功率和推进系统参数匹配方法,对电机㊁氢燃料电池㊁锂电池㊁螺旋桨进行选型设计.选型的电机为１０台E M R A X２６８电机,总干质量仅为２２３k g.１０台电机最大总持续输出功率为１１７０k W,满足任务功率需求,分别在机翼两侧各安装５台电机.图３为理想的螺旋桨效率图[２２],根据螺旋桨的功率系数和所对应的进距比可获得螺旋桨的效率.螺旋桨类型选择为三桨叶,代入相关数据计算可得螺旋桨直径D为１．３２８m,螺旋桨的拉力系数C T为０．０８,功率系数C P为０．１０２.选择B a l l a r d公司的F C g e n®ＧH P S氢燃料电池和S A F T公司的S e a n e r g y®的锂离子动力电池.选择F a u r e c i a公司研发的高压７０M P a储氢瓶,５２L和６８L容积类型气瓶的参数如表２所示.图３㊀理想的螺旋桨效率图[２２]F i g．３㊀I d e a l p r o p e l l e r e f f i c i e n c y d i a g r a m[２２]表２㊀F a u r e c i a７０M P a储氢瓶T a b．２㊀７０M P ah y d r o g e n s t o r a g e b o t t l e o f F a u r e c i a型号C H G３Ｇ３３４Ｇ５２Ｇ７０T/B C H G３Ｇ３３４Ｇ６８Ｇ７０T/B 水容积(L)５２６８外径(mm)３９４４４０长度(mm)８６０９００质量(k g)５２６８储氢量(k g)２．１２．８质量储氢密度(％)３．８４容积储氢密度(g/L)４０４０压力(M P a)７０７０㊀㊀目前电机装置功率密度已经达到了４k W/k g,氢燃料电池系统的功率密度为０．８５k W/k g,电机控制器的功率密度在１０k W/k g左右,７０M P a储氢系统储氢密度为４％.根据各分系统功率密度可计算出主要电力系统部件的质量,如表３所示.表３㊀氢锂混动架构主要系统部件质量T a b．３㊀Q u a l i t y o fm a i n s y s t e mc o m p o n e n t s o f h y d r o g e nＧl i t h i u mf u e l h y b r i da r c h i t e c t u r e分系统名称部件名称质量(k g)电动力系统电机＋电缆２９２．５电机控制器１１７螺旋桨及安装组件螺旋桨及其组件２０电池组系统锂电池(１节)２００氢燃料电池堆(９节)１４８２储氢系统储氢系统(含氢气)７１４．５㊀㊀根据所选型的新能源推进装置,采用动态能量平衡管理策略对氢气的消耗和锂电池电能消耗进行动态调度,保证两种能源消耗处于动态平衡状态,能量动态平衡策略仿真结果如图４所示.可以看出,燃料电池承担大部分负载功率,而锂电池对其负载功率进行补充,当锂电池电量消耗过快时,燃料电池对锂电池电量进行补充,维持二者消耗动态平衡.当锂电池电量低于安全电量时,锂电池不再工作,由燃料电池单独负责任务负载,直到氢气被完全消耗.氢气推进系统设计布局示意如图５所示.１３氢电锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计 王㊀宇㊀伍庭佳㊀李㊀湘等(a)功率随时间变化曲线(b)剩余氢气比例随时间变化曲线(c)荷电状态随时间变化曲线图４㊀氢电锂电能量动态平衡仿真结果F i g ．４㊀D yn a m i c b a l a n c e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f h y d r o ge n Ｇl i t h i um 图５㊀氢电锂电推进布局示意图F i g ．５㊀H y d r o g e n Ｇl i t h i u m p r o p u l s i o n l a yo u t s c h e m a t i c ５㊀分布式推进气动分析根据电机功率匹配结果,需要在机翼两侧前缘各安装５个螺旋桨,保证螺旋桨产生的功率满足巡航需求,当电机轴转速发生改变时,螺旋桨的输出功率也会随之发生改变.螺旋桨相对机翼的安装位置,不同位置螺旋桨的转速㊁转向会给气动计算带来不同程度的影响.本文采用O pe n V S P 软件中的V S P A E R O 气动模块进行计算,它集成了涡格法和面元法,螺旋桨特性求解方面包含了叶素法和激励盘方法,文献[２３]使用此模块对X ５７高升力螺旋桨进行计算,并与O V E R F L OW 的分析结果进行对比验证,证明了该方法具有可靠的精度和较快的计算速度.图６为气动模型示意简图,分别为气动模型的俯视图和后视图,沿展向将机翼划分为机身区和优化区,螺旋桨仅在优化区域内移动,每一个螺旋桨限制在虚线范围内.为了研究螺旋桨转向对气动性能的影响,将转向以数字量化,用D i r １,D i r ２, ,D i r ５表示右侧机翼由翼根到翼梢５个螺旋桨的转向,以飞行员视角,螺旋桨顺时针方向记为 １ ,螺旋桨逆时针转向记为 ０.以螺旋桨转向作为设计输入变量,激励盘的位置和转速不变,螺旋桨相对于机翼位置与图６一致,设置螺旋桨转速为巡航转速,对右机翼螺旋桨所有转向采用全析因试验设计,共３２种情况,输出变量为升力系数㊁诱导阻力系数㊁摩擦阻力系数.通过改变螺旋桨的转向分析每一个螺旋桨的转向对输出变量相关性影响,分析螺旋桨转向对气动带来的增益或抑制效果.根据螺旋桨转向全图６㊀气动优化模型示意图F i g ．６㊀A e r o d y n a m i c o pt i m i z a t i o nm o d e l s c h e m a t i c２３ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月析因试验设计结果,绘制了转向对升力系数和诱导阻力系数影响的P a r e t o 图,如图７所示,图中l o w 表示转向取值为０(即逆时针转向),h i gh 表示转向取值为１(即顺时针转向).从气动角度分析,如图７a 所示,沿机翼展向由翼根到翼梢,对升力影响较大的是螺旋桨３和螺旋桨５的转向.螺旋桨３和螺旋桨４之间以逆顺对转,螺旋桨会产生上洗气流,会加速滑流区气流流动,从而增大升力系数.螺旋桨２和螺旋桨３之间以顺逆对转,会减少滑流区气流流动,减小升力系数,但由于螺旋桨２对升力影响仅占７％,小于螺旋桨４对升力的影响,因此从螺旋桨１到螺旋桨４最佳转向为逆 顺 逆 顺,而对于翼尖螺旋桨５,采用顺时针旋转会产生下洗气流,抑制下翼面在翼尖处上翻气流,减少翼尖涡流的影响,刚好对诱导阻力产生抑制作用,对提高升力有显著增益效果.而对于诱导阻力,如图７b 所示,翼尖螺旋桨５与图７a 原理一致,而要减少诱导阻力,相邻螺旋桨旋转方向应产生下洗气流或尽可能抑制上洗气流,减少由升力引起的附加阻力.螺旋桨２相对于螺旋桨１能产生下洗气流,同时螺旋桨３相对于螺旋桨２能抑制螺旋桨２引起的上洗气流.在３２组转向配置中,最有利于增大升力系数C L ㊁减小诱导阻力系数C D i 的转向如图８所示.(a)转向对升力系数影响㊀㊀(b)转向对诱导阻力系数影响(c)转向对零升力阻力系数影响㊀㊀(d)转向对升阻比影响图７㊀激励盘转向对升阻特性影响F i g ．７㊀T h e i n f l u e n c e o f a c t u a t o r d i s k s t e e r i n g o n l i f t Ｇd r a g ch a r a c t e r i s t i cs (a )C L 最优时转向示意图(b )C D i 最优时转向示意图图８㊀C L 、C D i 最优时的转向F i g ．８㊀T h e o pt i m u mr o t a t i o nd i r e c t i o n s f o r C L a n d C D i３３ 氢电锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计王㊀宇㊀伍庭佳㊀李㊀湘等㊀㊀为了进一步说明螺旋桨对机翼升力系数的影响,绘制了分布式构型㊁双发构型㊁无桨构型升力系数展向分布图,见图９.分布式构型和双发构型相对于无桨构型,在有螺旋桨位置处升力系数突变增大,使得整体升力系数增大.而对比双发构型和分布式推进构型,双发构型升力系数呈双峰分布,而分布式推进构型呈现多峰分布.分布式推进方案较双发方案,升力系均值数由０．７０５提高到０．７２０,而诱导阻力系数出现显著下降趋势,由０．０１２７减小到０．０１０４,从而使得全机总的升阻比得到较大提高.图９㊀三种气动构型巡航展向升力系数分布图F i g ．９㊀C r u i s e s pa n w i s e l i f t c o e f f i c i e n t d i s t r ib u t i o no f t h r e e a e r o d y n a m ic c o n f i gu r a t i o n s ６㊀结论(１)针对氢电锂电混动架构方案,提出了新能源推进装置选型和参数匹配方法,建立了燃电锂电能量动态平衡策略.(２)以１９座级通勤飞机Y １２F 为应用示例,对推进装置进行新能源选型设计,根据选型装置对氢气的消耗和锂电池电能消耗进行了动态调度.(３)采用全析因试验设计方法对分布式气动布局中螺旋桨的３２种转向配置方案进行了分析,获得了最优转向.参考文献:[１]㊀孙侠生,程文渊,穆作栋,等．电动飞机发展白皮书[J ]．航空科学技术,２０１９,３０(１１):１Ｇ７．S U N X i a s h e n g ,C H E N G W e n y u a n ,MU Z u o d o n g ,e ta l ．W h i t eP a p e ro nt h eD e v e l o pm e n to fE l e c t r i c A i r c r a f t [J ]．A e r o n a u t i c a lS c i e n c e &T e c h n o l o g y ,２０１９,３０(１１):１Ｇ７．[２]㊀T R A I N E L L IL ,S A L U C C IF ,C OM I N C I N ID ,e ta l ．S i z i n g a n dP e r f o r m a n c e o fH y d r o g e n Ｇd r i v e nA i r Ｇpl a n e s [C ]ʊI t a l i a n A s s o c i a t i o no fA e r o n a u t i c sa n d A s t r o n a u t i c s ⅩⅩⅤI n t e r n a t i o n a lC o n gr e s s ．R o m a ,２０１９:１０５８Ｇ１０６５．[３]㊀P A L A I A G ,S A L E M K A ,C I P O L L A V ,e ta l ．C o n c e p t u a l I n v e s t i g a t i o no n P e r f o r m a n c eo fS h o r t Ｇm e d i u m R a n g eA i r c r a f tw i t hL i q u i d H y d r o ge nP r o Ｇpu l s i o n a n dD i f f e r e n tA i r f r a m eA r c h i t e c t u r e s [C ]ʊA I A A S C I T E C H ２０２３F o r u m．N a t i o n a l H a r b o r,２０２３:０２１４．[４]㊀WA D D I N G T O N E ,M E R R E TJM ,A N S E L LPJ ．I m p a c t o f L H ２F u e l C e l l Ｇe l e c t r i cP r o p u l s i o no nA i r Ｇc r a f t C o n f i g u r a t i o n a n d I n t e g r a t i o n [C ]ʊA I A A A v i Ｇa t i o n２０２１F o r u m．V i r t u a l E v e n t ,２０２１:２４０９．[５]㊀P A S T R ACL ,C I N A RG ,MA V R I SDN．F e a s i b i l Ｇi t y a n d B e n e f i t A s s e s s m e n t so f H y b r i d H y d r o g e n F u e l C e l l a n dB a t t e r y C o n f i g u r a t i o n so naR e g i o n a l T u r b o p r o p A i r c r a f t [C ]ʊA I A A A V I A T I O N ２０２２F o r u m．C h i c a g o ,２０２２:３２９０．[６]㊀黄俊．分布式电推进飞机设计技术综述[J ]．航空学报,２０２１,４２(３):１３Ｇ２９．HU A N GJ ．S u r v e y o n D e s i g n T e c h n o l o g y ofD i s Ｇt r i b u t e dE l e c t r i cP r o p u l s i o nA i r c r a f t [J ]．A c t aA e r o Ｇn a u t i c a e t A s t r o n a u t i c a S i n i c a ,２０２１,４２(３):６２４０３７．[７]㊀荆戈．燃料电池轻型飞机概念设计研究[D ]．南京:南京航空航天大学,２０１７．J I N GG e ．AS t u d y o nC o n c e p t u a l D e s i g n o f F u e l Ｇc e l l P o w e r e d E l e c t r i c a l L i g h t A i r c r a f t [D ]．N a n j i n g:N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c sa n d A s t r o n a u Ｇt i c s ,２０１７．[８]㊀李毅波,林鹏,陶晓洋,等．空地两用燃料电池轻型飞机总体参数设计与建模[J ]．飞机设计,２０１６,３６(５):２９Ｇ３３．L IY i b o ,L I N P e n g ,T A O X i a o y a n g,e t a l ．O v e r a l l P a r a m e t e rD e s i g na n d M o d e l i n g o fA i r Ｇg r o u n dF u e l C e l lL i g h t A i r c r a f t [J ]．A i r c r a f tD e s i g n ,２０１６,３６(５):２９Ｇ３３．[９]㊀刘福佳,杨凤田,刘孟诏,等．电动轻型飞机起飞总质量估算方法[J ]．科学技术与工程,２０１８,１８(５):１１８Ｇ１２３．L I U F u j i a ,Y A N G F e n g t i a n ,L I U M e n g z h a o ,e ta l ．E s t i m a t e dM e t h o d o f t h eT a k e Ｇo f fM a s s o f t h eE l e c Ｇt r i cL i g h tA i r c r a f t [J ]．S c i e n c eT e c h n o l o g y an dE n Ｇg i n e e r i n g,２０１８,１８(５):１１８Ｇ１２３．[１０]㊀孔祥浩,张卓然,陆嘉伟,等．分布式电推进飞机电力系统研究综述[J ]．航空学报,２０１８,３９(１):５１Ｇ６７．K O N G X i a n gh a o ,Z HA N G Z h u o r a n ,L U J i a w e i ,e ta l ．R e s e a r c ho nD i s t r i b u t e dE l e c t r i cP r o pu l s i o n４３ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月。

新能源技术在航空航天领域的应用随着全球气候变化日益严峻以及对能源需求的增长，新能源技术在各个领域的应用越来越受到关注。

航空航天领域作为高能耗的行业，也积极探索和应用新能源技术。

本文将介绍新能源技术在航空航天领域的应用，以及对该行业带来的影响。

首先，在改善飞行器动力系统方面，新能源技术可以为航空航天领域带来更高效、环保的动力源。

传统的航空飞机使用燃油作为主要能源，这不仅造成大量的碳排放，还对环境造成污染。

然而，新能源技术的出现为航空动力系统带来了改变。

例如，电动飞机利用电能驱动，具有零排放和低噪音的特点，可以减少对环境的影响。

此外，氢燃料电池也是一种具有潜力的绿色能源，它可以为飞机提供零排放、高效的动力。

其次，在航天探测方面，新能源技术可以提供更可靠和持久的能源供应。

航天器在太空中需要长时间运行，对能源的需求非常高。

传统的太阳能电池虽然在太空中得到了广泛应用，但其效率有限且在长时间运行时容易受到太空环境的影响。

而新能源技术，例如核能源和氢燃料电池，具有更高的能源密度和更长的使用寿命，可以为航天器提供更稳定可靠的能源供应，从而提高航天探测任务的成功率。

此外，新能源技术还可以在航空航天领域的辅助系统中发挥重要作用。

例如，航空器的供氧系统需要大量能量来提供足够的氧气供应。

传统的供氧系统通常使用压缩机或者氧气瓶来提供氧气，而这些方式都需要消耗大量的能源。

而利用太阳能、风能等新能源技术来驱动供氧设备，可以减少对传统能源的依赖，并且降低供氧系统的能源消耗。

此外，新能源技术在航空航天领域还具有其他的应用。

例如，无人机是航空航天行业的一个重要领域，新能源技术可以为无人机提供更长的续航时间，进一步扩大无人机的应用范围。

此外，新能源技术还可以用于航空航天的数据通信和导航系统，提高系统的可靠性和效率。

综上所述，新能源技术在航空航天领域的应用具有重要意义。

它可以改善航空器的动力系统，提供更高效、环保的能源源；提供更稳定可靠的能源供应，提高航天探测任务的成功率；在航空航天的辅助系统中减少能源消耗；以及在无人机、数据通信和导航系统等方面提供更广阔的应用空间。

新能源飞机设计与研发方案一、实施背景随着全球能源结构的转变，航空业面临着巨大的环保压力和资源约束。

传统航空燃料的高碳排放和高能耗问题，已无法满足人类对于可持续发展的需求。

因此，新能源飞机的设计与研发成为了行业发展的必然趋势。

二、工作原理新能源飞机主要采用电动力系统代替传统燃油动力系统。

具体工作原理如下：1.电池储能系统：利用高能量密度锂电池或燃料电池，存储飞行过程中产生的电能，为电机提供动力。

2.电机驱动系统：采用先进的无刷直流电机，配合电力电子控制单元，实现飞机的平稳、高效驱动。

3.飞行控制系统：利用先进的飞行控制算法和传感器，实现对飞机的稳定控制，确保飞行安全。

三、实施计划步骤1.需求分析与市场调研：明确新能源飞机研发的市场需求和技术瓶颈，为后续研发提供数据支持。

2.技术研究与方案设计：开展电动力系统、电池技术、无刷直流电机等关键技术的研究，设计新能源飞机的整体方案。

3.初步设计与模型制作：根据设计方案，进行初步设计和模型制作，验证设计的可行性和合理性。

4.详细设计与制作：在初步设计的基础上，进行详细设计，并完成原型机的制造。

5.地面测试与飞行试验：进行原型机的地面测试和飞行试验，验证各项性能指标。

6.优化改进与商业化开发：根据测试结果进行优化改进，开发适合商业化的新能源飞机。

四、适用范围本设计适用于短途、小型的航空交通领域，如城市间穿梭、短途货运等。

对于长途、大型的航空交通领域，需要进一步研发能量密度更高、充电速度更快的电池技术。

五、创新要点1.采用电动力系统：利用电力电子控制单元代替传统的燃油控制系统，提高了能源利用效率，降低了碳排放。

2.高能量密度电池技术：采用高能量密度的锂电池或燃料电池技术，提高了电池的能量储存能力，延长了飞行时间。

3.先进的无刷直流电机：采用先进的无刷直流电机技术，提高了电机的效率和可靠性，降低了维护成本。

4.飞行控制系统：采用先进的飞行控制算法和传感器技术，提高了飞机的稳定性和安全性。

航空航天工程师的航天器能源系统设计航空航天工程师在设计航天器时必须考虑到航天器所需的能源系统。

航天器能源系统的设计需要兼顾效率、稳定性和可持续性，以保证航天器在太空环境中正常运行。

本文将探讨航空航天工程师在航天器能源系统设计中所面临的挑战和应对方法。

I. 能源需求量和解决方案航天器能源需求量巨大且多样化，包括电力、热能和推力。

为满足这些需求，航空航天工程师必须采用合适的能源解决方案。

常见的能源解决方案包括太阳能电池板、核能源和燃料电池。

太阳能电池板适用于长期的太空任务，通过将太阳能转化为电能来提供电力。

核能源是另一种常见的能源解决方案，通过核聚变或核裂变反应来获得高能输出。

燃料电池则是将氢气和氧气反应产生电力和水的设备，适用于短期任务以及需要高能输出的任务。

II. 能源系统的稳定性和可靠性航天器能源系统的稳定性和可靠性是航空航天工程师设计时需要重点考虑的因素。

航天器在太空中遭受各种极端条件，如温度变化、辐射和真空环境，因此能源系统需要具备抗干扰和自我修复的能力。

为保证能源系统的稳定性，航空航天工程师可以采取多重备份方案。

例如，在航天器上安装多个能源单元，以确保即使出现了部分故障，其他能源单元仍能正常运行。

此外，航天器还应配备电池系统以应对应急情况，如遇到太阳能电池板故障或临时能源需求增加。

III. 能源系统的效率优化在航天器设计中，能源系统的效率优化是提升航天器性能和延长任务寿命的重要因素。

航空航天工程师需要考虑如何在太空环境中最大限度地利用能源。

在太阳能电池板方面，航空航天工程师可以优化板的转换效率、材料选择和面积。

通过减小太阳能板的质量和增加转换效率，可以提高整个能源系统的效率。

此外，航天器还可以利用着陆器或其他太空器的废弃能源，进一步提高能源利用效率。

IV. 可持续能源的探索航空航天工程师也在不断探索寻找更加可持续的能源解决方案。

传统能源解决方案可能受限于资源和环境影响，因此开发可再生能源和高效能源系统成为关注的焦点。

《我国载人航天器结构与机构系统设计与优化》篇一一、引言随着科技的飞速发展，载人航天器已成为国家综合实力的重要标志之一。

我国载人航天器在结构与机构系统设计方面取得了显著的成就，不仅提升了航天器的性能和安全性，还为我国的航天事业发展提供了强有力的支撑。

本文将详细介绍我国载人航天器结构与机构系统的设计与优化，以期为未来的航天器设计提供有益的参考。

二、载人航天器结构系统设计1. 主体结构我国载人航天器的主体结构主要由航天器壳体、骨架结构和辅助设备组成。

其中，壳体负责承受外界载荷，骨架结构为航天器提供稳定的支撑，辅助设备包括电源系统、温控系统等。

在设计过程中，需要考虑材料的选择、结构的布局以及结构强度的评估等方面，确保航天器在各种极端环境下都能保持稳定。

2. 舱体结构我国载人航天器的舱体结构主要包括生命保障系统、居住系统和实验设备安装空间等。

设计时需考虑舱体的气密性、热防护性能以及居住舒适性等因素，确保航天员在太空中的生活和工作需求得到满足。

三、机构系统设计与优化1. 姿态控制系统姿态控制系统是载人航天器的关键机构系统之一，负责维持航天器的稳定和调整其姿态。

该系统主要由姿态敏感器、执行机构和控制算法组成。

设计时需考虑系统的稳定性、精度以及响应速度等因素，确保航天器在太空中的姿态控制精确可靠。

2. 生命保障系统生命保障系统是保障航天员在太空中的生命安全的重要机构系统。

该系统包括氧气供应、水循环、废弃物处理以及应急救生等功能模块。

设计时需综合考虑系统的可靠性、稳定性和可持续性等因素，确保航天员在太空中的生命安全。

四、结构与机构系统的优化策略1. 优化材料选择与应用选用高强度、轻量化和耐腐蚀性的材料，以减轻航天器的质量并提高其耐久性。

同时，应注重材料的可回收性和环保性，以降低太空垃圾的产生。

2. 先进制造技术的应用采用先进的制造技术，如数字化制造、精密加工和智能装配等，以提高航天器的制造精度和效率。

同时，应注重自动化和智能化技术的应用，以降低制造过程中的成本和人力投入。

新能源动力系统在航空航天领域的应用研究随着全球对可持续发展的关注不断增加，新能源技术被广泛应用于各个领域，其中包括航空航天领域。

已经成为学者和工程师们关注的热点问题。

新能源动力系统的引入可以极大地提高航空航天领域的效率、降低污染排放，对推动整个行业的可持续发展具有重要意义。

航空航天领域一直是高能耗、高排放的行业，传统的燃油动力系统已经面临着诸多挑战，如能源消耗大、燃油价格波动大等。

因此，引入新能源动力系统成为提升航空航天领域竞争力的关键。

新能源动力系统主要包括太阳能、风能、生物质能、核能等，这些能源具有清洁、可再生的特点，对减少污染、保护环境具有显著作用。

首先，太阳能作为一种清洁能源，在航空航天领域具有广阔的应用前景。

太阳能飞机作为新能源动力系统的代表，利用太阳能作为动力源，不仅可以减少燃料消耗，减少碳排放，而且可以实现持续飞行，极大地提高了航空器的续航能力。

目前，太阳能飞机技术已经逐渐成熟，各国纷纷投入研发，相信在不久的将来，太阳能飞机将在商业航空领域得到广泛应用。

其次，风能也是航空航天领域新能源动力系统的重要组成部分。

风能具有丰富的资源，且分布广泛，可以为飞行器提供稳定的动力支持。

风能动力飞行器不仅可以减少燃料消耗，还可以有效降低飞机的运营成本。

目前，各国在风能动力飞行器的研发方面取得了一系列突破，风能动力飞行器已经开始在一些特定领域得到应用，如长航时侦察、气象探测等。

此外，生物质能、核能等新能源也在航空航天领域得到了广泛研究。

生物质能作为一种可再生的能源，可以为航空器提供燃料，有效减少了对化石燃料的依赖。

而核能作为清洁能源，在航空航天领域的应用也备受关注。

核能动力飞行器具有巨大的潜力，可以实现长时间、长距离的飞行任务，极大地拓展了航空航天领域的应用领域。

让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，新能源动力系统在航空航天领域的应用研究具有重要意义，不仅可以提高效率、降低成本，还可以减少污染排放，为航空航天行业的可持续发展提供强有力的支持。