氢能飞机及航空动力多学科总体耦合设计

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31712

固体力学与飞行器总体设计

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氢能飞机及航空动力多学科总体耦合设计

姬志行(), 王彦哲, 梅晓雪, 程莉雯, 许子博, 王占学

西北工业大学动力与能源学院，西安 710000

收稿日期:2024-12-25 修回日期:2025-01-15 接受日期:2025-03-26 出版日期:2025-09-15 发布日期:2025-05-19
通讯作者: 姬志行 E-mail:jizhixing@nwpu.edu.cn
基金资助:
先进航空动力创新工作站项目(HKCX2024-01-006)

Multidisciplinary coupling design of hydrogen-powered aircraft and aviation propulsion

Zhixing JI(), Yanzhe WANG, Xiaoxue MEI, Liwen CHENG, Zibo XU, Zhanxue WANG

School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710000，China

Received:2024-12-25 Revised:2025-01-15 Accepted:2025-03-26 Online:2025-09-15 Published:2025-05-19
Contact: Zhixing JI E-mail:jizhixing@nwpu.edu.cn
Supported by:
Advanced Aeronautical Power Innovation Workstation Project(HKCX2024-01-006)

摘要/Abstract

摘要：

氢燃料飞机在推进系统、燃料储运系统和机体结构等方面相比于传统飞机发生较大改变。首先，建立燃料电池混合动力系统模型，将燃料电池的极化损失与电驱动风扇发动机总体性能相集成；其次，建立了液氢储罐和供氢模型，评估了液氢供给过程中罐内压力和温度的变化规律；然后，进行了飞机三维几何建模和快速气动评估，分析了集成液氢储罐对全机气动特性的影响，得到了全机升阻特性随机身外形的变化规律。综合考虑了燃料储存能量、推进系统功率和储罐结构设计，随着飞机携带能量增加，液氢储罐质量效率最高可达80%。将燃料电池混合动力系统的耗油率与质量均考虑在内，优化氢燃料储罐布置，实现了液氢飞机的燃料储运系统、推进系统、飞机机体结构的多维度匹配，得到液氢飞机的飞发匹配方案。研究表明，仅增加机身长度时，飞机的升阻比变化较小；氢能飞机减少的碳排放量、氢罐的质量效率均与机身长度的加长量呈正相关；当机身长度加长5%时，碳排放量可减少714 kg，减碳比例为1.56%；当机身长度加长20%时，碳排放量可减少45 709 kg，减碳比例为100%，巡航时间超过传统飞机的10.04%。

关键词: 氢能飞机, 多学科耦合, 燃料电池, 航空动力, 发动机特性

Abstract:

Compared with traditional aircraft， hydrogen-powered aircraft undergo significant changes in aspects such as propulsion systems， fuel storage and transportation systems， and airframe structure. Firstly， a fuel cell hybrid power system model is established， integrating the polarization losses of the fuel cell with the overall performance of the electric-driven fan engine. Then， liquid hydrogen storage tank and hydrogen supply models are developed， and the pressure and temperature variations inside the tank during the hydrogen supply process are evaluated. Next， three-dimensional geometric modeling of the aircraft is performed， along with rapid aerodynamic assessment， and the impact of integrating the liquid hydrogen tank on the overall aerodynamic characteristics of the aircraft is analyzed. The variation of the aircraft’ s lift-to-drag ratio with the external shape is obtained. By considering fuel storage energy， propulsion system power， and tank structural design， as the aircraft carries more energy， the weight efficiency of the liquid hydrogen storage tank can reach up to 80%. Considering both the fuel consumption rate and mass of the fuel cell hybrid power system， the layout of the hydrogen fuel tank is optimized， and a multi-dimensional match of fuel storage and transportation systems， propulsion systems， and aircraft airframe structure for the liquid hydrogen-powered aircraft is achieved，resulting in an integrated airframe-propulsion matching scheme. The study further shows that simply increasing the fuselage length results in a small change in the lift-to-drag ratio. The reduction in carbon emissions and the weight efficiency of the hydrogen tank are positively correlated with the increase in fuselage length. When the fuselage length is extended by 5%， the carbon emission can be reduced by 714 kg， corresponding to a 1.56% reduction rate. When the fuselage length is extended by 20%， the carbon emission can be reduced by 45 709 kg， achieving a 100% reduction rate， and the cruising time exceeds that of traditional aircraft by 10.04%.

Key words: hydrogen-powered aircraft, multidisciplinary coupling, fuel cell, aviation propulsion, engine characteristics

中图分类号:

V272

姬志行, 王彦哲, 梅晓雪, 程莉雯, 许子博, 王占学. 氢能飞机及航空动力多学科总体耦合设计[J]. 航空学报, 2025, 46(17): 231712.

Zhixing JI, Yanzhe WANG, Xiaoxue MEI, Liwen CHENG, Zibo XU, Zhanxue WANG. Multidisciplinary coupling design of hydrogen-powered aircraft and aviation propulsion[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(17): 231712.

图/表 22

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

表2

表3

表4

图 11

表5

放置单个氢罐给飞机带来的附加质量及对应氢所具有的能量

机身长度增加比例/%	r/m	增加空间的体积V₁/m³	氢罐的体积V₂/m³	液氢的质量 $m H 2$ /kg	罐体的总质量m_tank/kg	质量效率/%	氢含有的能量Q/（10⁹ J）
5	0.42	21.9	0.96	67.8	525	14.0	9.62
10	0.85	43.8	7.67	543	1 198	49.6	77
15	1.27	65.7	25.9	1 832	2 940	67.9	260
20	1.70	87.7	61.3	4 342	6 243	75.4	616

表5

图 12

表6

不同机身长度对应的燃料系统参数

机身长度增加比例/%	液氢的质量 $m H 2$ /kg	氢含有的能量Q/（10⁹ J）	仍需携带的航空煤油质量/kg	飞机在燃料部分减轻的质量/kg	碳排放减少量/kg	减碳比例 /%
5	67.8	9.62	14 437	-3 640	714	1.56
10	542	77	12 833	91.9	5 713	12.5
15	1 832	260	8 479	1 415	19 283	42.2
20	4 342	616	0	4 081	45 709	100

表6

表7

表8

表9

表10

参考文献 36

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

燃料	单位质量所含能量/（MJ·kg^-1）	单位体积所含能量/（MJ·L^-1）
氢（液态）	121	8.50
氢（标准大气压）	121	0.01
氢（被压缩状态，700 bar）	121	5.60
航空煤油	43.1	34.4
汽油	44.4	32.5
柴油	45.6	38.6
天然气（液态）	53.6	22.2

飞机几何参数	数值
飞机长度/m	39.5
翼展/m	35.8
机身高度/m	4.01
机身宽度/m	3.76

设计点参数	数值
迎角/（°）	1~16
巡航马赫数	0.79
雷诺数/10⁹	4.67
飞行高度/m	12 500
巡航速度/（km·h^-1）	828

机身长度增加比例/%	增加长度/m
5	1.97
10	3.95
15	5.92
20	7.89

参数	数值
风扇压比	1.50
风扇效率	0.86
压气机压比	1.33
压气机效率	0.86
空气流量/（kg·s^-1）	12.8
发动机耗油率/（10^-6 kg·（N∙s）^-1）	5.40
巡航马赫数	0.85
涵道比	12.9
推力/（10⁴ N）	2.18
热效率	0.49
推进效率	0.80
总效率	0.39
燃料电池阳极进口温度/K	325
燃料电池阴极进口温度/K	299
阳极厚度/μm	190
阴极厚度/μm	190
燃料电池总功率/MW	6.80
燃料电池活化面积/（10³ m²）	3.51
单个发动机燃料电池堆数	4
燃料电池堆长度/m	0.70
燃料电池堆宽度/m	0.70
燃料电池堆高度/m	0.34
燃料电池堆层数	942
外涵散热量与电功率之比	0.94

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机身长度增加比例/%	sfc（液氢）/（10^-6 kg/（N∙s）^-1）	sfc（煤油）/（10^-5 kg/（N∙s）^-1）	升阻比
0	5.40	1.60	18.9
5	5.40	1.60	16.8
10	5.40	1.60	16.5
15	5.40	1.60	16.3
20	5.40	1.60	16.0

机身长度增加比例/%	使用航空煤油阶段		使用液氢阶段
机身长度增加比例/%	M₁/kg	M₂/kg	M₁/kg	M₂/kg
0	61 865	41 000	41 000	41 000
5	59 076	44 639	44 639	44 571
10	58 444	45 611	45 611	45 068
15	56 055	47 396	47 396	45 564
20	50 403	50 403	50 403	46 061

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机身长度增加比例/%	巡航时间/h
0	6.87
5	4.29
10	4.65
15	5.79
20	7.56