氢能源无人机关键技术研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31603

固体力学与飞行器总体设计

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氢能源无人机关键技术研究进展

向锦武¹^,², 马凯¹, 阚梓¹(), 李道春¹^,², 郑可欣¹, 陈汉轩¹

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
^2.天目山实验室，杭州 311115

收稿日期:2024-12-03 修回日期:2024-12-11 接受日期:2024-12-26 出版日期:2025-01-07 发布日期:2025-01-07
通讯作者: 阚梓 E-mail:kanzi2017@buaa.edu.cn
基金资助:
浙江省重点研发计划(2024SSYS0087);中央高校基本科研业务费专项资金

Review of key technologies for hydrogen powered unmanned aerial vehicles

Jinwu XIANG¹^,², Kai MA¹, Zi KAN¹(), Daochun LI¹^,², Kexin ZHENG¹, Hanxuan CHEN¹

^1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Tianmushan Laboratory，Hangzhou 311115，China

Received:2024-12-03 Revised:2024-12-11 Accepted:2024-12-26 Online:2025-01-07 Published:2025-01-07
Contact: Zi KAN E-mail:kanzi2017@buaa.edu.cn
Supported by:
Key R & D Program of Zhejiang(2024SSY0087);Fundamental Research Funds for the Central University

摘要/Abstract

摘要：

氢能源无人机作为新能源动力无人机中最具发展潜力的机型之一，其发展与绿色航空概念以及低空经济场景联系紧密。总结了氢能源无人机发展过程中涉及的关键领域和技术问题，并对相关研究进行了总结和梳理，旨在为氢能源无人机设计提供参考。首先对氢能源无人机的发展历史、技术优势、应用场景和常见机型进行了概述。然后以总体设计技术、结构设计技术、动力系统设计技术以及飞行控制技术4大技术领域中涉及氢能源无人机的关键问题进行了分类探讨，分析了每个领域中所面临的技术前沿问题和国内外研究人员目前的相关研究。最后结合相关技术进展，对氢能源无人机的发展提出了建议与展望。研究表明，氢能源无人机的发展潜力仍未被完全发掘，需要多学科、多领域共同发力，发挥氢能在无人机增加续航时间、降低机载质量和助力绿色航空发展等方面的关键作用。

关键词: 氢能源无人机, 总体设计技术, 结构设计技术, 动力系统设计技术, 飞行控制技术

Abstract:

As one of the most promising types of Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） powered by new energy sources， hydrogen-powered UAVs are closely linked to the concept of green aviation and low-altitude economic scenarios. To provide a reference for the design of hydrogen powered UAVs， this paper summarizes the key areas and technical issues involved in the development of hydrogen powered UAVs， and reviews relevant research. The review first outlines the development history， technical advantages， application scenarios， and common examples of hydrogen powered UAVs. Subsequently， it categorizes and discusses the key issues related to hydrogen powered UAVs in four major technical areas： overall design technology， structural design technology， power system design technology， and flight control technology. Moreover， the technical frontiers faced in each area and the current research conducted by researchers both domestically and internationally are analyzed. Finally， combining the relevant technological advancements， the paper proposes suggestions and outlooks for the development of hydrogen powered UAVs. The research indicates that the development potential of hydrogen powered UAVs has not been fully explored， and joint efforts across multiple disciplines and fields to leverage hydrogen’s crucial role in extending UAV endurance are required so as to reduce onboard weight， and promote green aviation development.

Key words: hydrogen powered UAVs, overall design technology, structual design technology, power system design technology, flight control technology

中图分类号:

V279

向锦武, 马凯, 阚梓, 李道春, 郑可欣, 陈汉轩. 氢能源无人机关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531603.

Jinwu XIANG, Kai MA, Zi KAN, Daochun LI, Kexin ZHENG, Hanxuan CHEN. Review of key technologies for hydrogen powered unmanned aerial vehicles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(5): 531603.

图/表 28

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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

型号	首飞年份	构型	储氢型式	最大起飞质量/kg	动力型式	翼展/m	续航时间/h
离子虎	2009	固定翼	GH₂/LH₂	16.1	燃料电池	5.2	26/48
全球观察者	2011	固定翼	LH₂	1 805	内燃机	53.3	4
幻影之眼	2012	固定翼	LH₂	4 241	内燃机	45.72	4~8
飞跃一号	2012	固定翼	GH₂	20	燃料电池	5	2
Jupiter-H2	2017	旋翼	GH₂	5.2	燃料电池		2
青鸥30无人机	2022	复合翼	GH₂	30	燃料电池	4	9
天目山一号	2024	旋翼	GH₂	25	燃料电池		4

冷却策略	技术描述	技术优势	技术挑战
风冷技术	利用空气循环实现热量的排出	附加质量小，技术难度较小	影响无人机气动效率
液冷技术	利用高比热容液体循环带走废热	液体比热系数较空气更高，散热效果更好	附加质量高，且有泄露风险
相变材料技术	通过材料相变过程吸收、释放热量	相变材料具有较高的温度均匀性	传热效率较低，且有泄露风险

燃料类型	Jet A-1	汽油	LH₂	GH₂ （350 bar）	GH₂ （700 bar）
质量能量密度/（MJ·kg^-1）	43.2	41.9	120	120	120
体积能量密度/（MJ·L^-1）	34.9	32.7	8.5	2.9	4.8
储存温度/K	室温	室温	20	室温	室温
储存压力/bar	常压	常压	2	350	700
储罐质量效率/wt%	100		30~90	1~15	1~15

罐体类型	材料组成	最大内压/ MPa	质量效率/%
Ⅰ	金属储罐	<20	<1
Ⅱ	纤维复合材料包覆的金属罐	<30	2
Ⅲ	带金属衬垫的复合罐	35~70	3.9~5
Ⅳ	带有聚合物内衬的复合罐	70	>5
Ⅴ	无内衬复合罐	>70	>7.5

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氢能源无人机关键技术研究进展

Review of key technologies for hydrogen powered unmanned aerial vehicles

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