使用氢燃料的混合动力飞机的制作方法

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种使用氢燃料的混合动力飞机，特别地，涉及一种使用氢燃料发动机和尾部电推进装置的混合动力飞机。

背景技术：

1、当前主流的飞机通常采用传统布局形式，并且主要特征是使用航空燃油作为全机能源。例如，飞机可以翼吊/尾吊有燃油涡轮风扇喷气发动机，该发动机提供全机推力和电功率/引气提取。飞机的尾部可以加装辅助动力装置(apu)，辅助为全机提供功率和引气提取。该类形式的飞机发展已趋于稳定，潜力难以继续挖潜，并且还至少具有如下所述的缺陷中的一种或多种：

2、(1)燃油发动机综合效率很难进一步提升，且无法实现零碳排放；

3、(2)由主发动机来提供地面滑行推力(最小)、起飞推力(最大)和巡航推力(最经济)。然而，这个三个推力之间差距较大，发动机内部各级涡轮无法运转在最佳转速，对发动机设计要求极高；

4、(3)在飞机的巡航阶段，飞机机身尾部低速附面层会增加飞机的飞行阻力，进而增加飞机油耗；

5、(4)在飞机地面维护期间，使用辅助动力装置(apu)，会给机场带来持续的噪声和排放污染。

6、氢作为可再生的清洁能源，是航空绿色发展的重要方向。随着氢能应用的发展，已经开展了氢能发动机的可行性研究。另外，氢燃料电池的单位质量功率稳步提升，并且液氢储存装置的单位质量储氢比逐渐增大，同时电动机的推进功率也在增加，且结构形式简单、易布置。因此，使用氢能作为全机能源，采用燃氢发动机和氢燃料电池驱动尾部电机的混合动力形式，结合飞机尾部创新布局形式设计，可以使得飞机在环保、经济和效率上得到跨越式的提升。

7、在2023年04月21日公开的、公开号为fr3128196a1、题为“可以使用氢气运行的混合动力客机(avion de ligne hybride pouvant carburer à l’hydrogène)”的发明专利中，提供了一种使用氢能源的混合架构飞机，其采用了尾翼、翼型机身、机翼和动力装置的混合架构飞机，翼型机身为储存大体积储氢装置提供了可行性。然而，这种飞机没有混合动力系统，也没有燃料电池，并且该飞机的机身尾部低速附面层同样会增加飞机的飞行阻力，进而增加飞机油耗。

8、在2016年01月06日公开的、公开号为cn204945790u、题为“一种太阳能、氢燃料电池混合动力无人飞机”的实用新型专利中，提供了一种使用太阳能、氢燃料电池的混合动力无人飞机，其采用了氢燃料电池、薄膜太阳能电池、动力系统、惯性导航系统、gps定位系统和处理器模块。该无人机的动力较小，不适用载客飞机，并且同样地，该飞机的机身尾部低速附面层同样会增加飞机的飞行阻力，进而增加飞机油耗。

9、在2022年09月22日公开的、公开号为u s20220297844a1、题为“混合动力氢燃料电池发动机(hybrid electric hydrogen fuel cell engine)”的发明专利中，提供了一种混合动力氢燃料电池发动机，以及包含该推进系统的飞行器，包括推进系统、飞行器、燃料电池和电机控制器、液氢罐、热管理系统以及功率调节器。然而，该飞行器仅通过燃料电池来提供电推进，并且同样地，该飞机的机身尾部低速附面层同样会增加飞机的飞行阻力，进而增加飞机油耗。

10、可以看出，现有技术的混合动力飞机的技术方案均比较受限。例如，只解决大型储氢装置所需空间的问题；或者只提出采用氢燃料电池的飞机，忽略了氢燃料电池是否能够满足全机功率和重量代价；或者只提出采用氢燃料电池的发动机，无法给出全机的解决方案。并且都不能同时满足零碳排放、降低不同飞行阶段对发动机推力的需求、提高巡航经济性、改善地面维护使用apu带来的环保问题等要求。

11、因此，需要对现有技术的飞机进行改进，以便提供一种混合动力飞机，该混合动力飞机能够克服现有技术中存在的一个或多个缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种混合动力飞机，特别是使用氢燃料的混合动力飞机，以使飞机的运行更环保、经济和高效。

2、根据本发明的一个方面，提出了一种使用氢燃料的混合动力飞机，该使用氢燃料的混合动力飞机可以包括：机身，机身容纳氢储存装置；机翼，机翼附连到机身；燃氢发动机，燃氢发动机安装在机翼上，并且燃氢发动机由氢储存装置供应氢；电推进装置，电推进装置安装到机身的尾部；以及氢燃料电池，氢燃料电池由氢储存装置供应氢以产生电能，并且电推进装置由氢燃料电池提供电力。

3、这种混合动力飞机采用燃氢发动机和氢燃料电池驱动尾部电推进装置的混合动力形式，可以使得飞机在环保、经济和效率上得到跨越式的提升。

4、根据本发明的以上方面，为了使得使用氢燃料的混合动力飞机具有更好的动力性能，较佳地，机翼可以包括关于机身布置的两个机翼，并且每个机翼下方吊挂有至少一个燃氢发动机。

5、根据本发明的以上方面，较佳地，燃氢发动机可以是燃氢涡轮喷气发动机。这样，燃氢发动机具有较高的功率，最佳推力设计点简化为为巡航推力，从而与尾部的电推进装置协配以提供更好的推进性能。

6、根据本发明的以上方面，较佳地，电推进装置可以包括电机、连接到电机的电机控制器以及由电机提供动力的桨叶，其中，电机由氢燃料电池提供电力。

7、通过这种布置，根据本发明的混合动力飞机可以使用氢能作为全机唯一能量来源，可以实现零碳排放，绿色环保。

8、根据本发明的以上方面，较佳地，混合动力飞机还可以包括附面层抽吸装置，附面层抽吸装置围绕电推进装置布置，并且布置在机身的尾部处，其中，附面层抽吸装置包括用于支承电推进装置的支架和进排气短舱。

9、通过尾部附面层抽吸装置，可以大幅降低飞机巡航飞行阻力，减小飞机能量消耗(耗氢量)，提升飞行效率。

10、根据本发明的以上方面，较佳地，混合动力飞机还可以包括电环控系统，电环控系统可以由氢燃料电池提供电力，用于为飞机温控区域、增压区域提供引气、客舱压力调节和温度控制功能。

11、通过使用氢燃料电池和电环控系统，允许替换现有飞机上的辅助动力装置apu，从而提供全机电功率和引气需求，可解决地面维护阶段的环保问题，特别是降低噪声并减少污染物排放，同时氢燃料电池也为尾部电推进装置提供电力。

12、根据本发明的以上方面，较佳地，混合动力飞机还可以包括飞行控制系统，飞行控制系统用于控制燃氢发动机和电推进装置的操作，其中，在混合动力飞机的地面滑行阶段，关闭燃氢发动机，并且使电推进装置运行；在混合动力飞机的起飞阶段，同时使燃氢发动机和电推进装置运行；而在混合动力飞机的巡航阶段，同时使燃氢发动机和电推进装置运行。

13、通过控制燃氢发动机和电推进装置在不同运行阶段的工作模式，能够以更节约能源的方式提供各运行阶段期望的动力分配，并且减少污染物排放。另外，尾部电推进装置结构易于实现和布置，可以降低起飞时对主发动机的大推力需求；同时提供地面滑行推力，避免使用主发动机，从而降低机场噪声水平，同时减少污染物排放。

14、根据本发明的以上方面，较佳地，混合动力飞机还可以包括尾翼，尾翼采用t型尾气动布局形式，并且包括垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼竖直设置在混合动力飞机的尾部处，而水平尾翼设置在垂直尾翼的顶部处，并且在竖直方向上的高度高于机翼。

15、这种尾翼布局方式，与尾部的电推进装置协配，能够进一步改善根据本发明的混合动力飞机在环保、经济和效率上的性能。

16、根据本发明的以上方面，为了更好地控制根据本发明的混合动力飞机的姿态，较佳地，垂直尾翼包括方向舵，方向舵设置在垂直尾翼的后缘，并且方向舵能够偏转，以控制混合动力飞机的偏航运动；而水平尾翼包括升降舵，升降舵设置在水平尾翼的后缘，并且升降舵能够偏转，以控制混合动力飞机的俯仰运动。

17、根据本发明的以上方面，为了进一步增加飞机所能携带的氢气量并且保证飞机的安全性，较佳地，氢储存装置可以包括液氢储罐和氢输送管路接口，该液氢储罐具有保压和低温储氢能力，该氢输送管路接口具有加注和输送氢能力。

18、根据本发明的以上方面，较佳地，混合动力飞机可以是滑跑起飞式飞机，并且包括前三点式起落架，前三点式起落架包括前起落架和主起落架，其中，主起落架设置在机翼的内段翼下方。

19、特别地，根据本发明的使用氢燃料的混合动力飞机的有益的技术效果可以包括但不限于：

20、第一方面，其使用氢能作为全机唯一能量来源，可以实现零碳排放，绿色环保；

21、第二方面，尾部电推进装置的结构相对简单且易布置，可以降低起飞对主发动机的大推力需求；同时提供地面滑行推力，避免使用主发动机，从而降低机场噪声水平并且减少污染物排放；

22、第三方面，通过尾部附面层抽吸装置可以大幅降低飞机巡航飞行阻力，减小飞机能量消耗，提升飞行效率；

23、第四方面，使用氢燃料电池和电环控系统来替换apu，并且提供全机电功率和引气需求，可解决地面维护阶段的环保问题(噪声和排放)，同时氢燃料电池也为尾部电推进装置提供电力。

24、由此，通过本发明的使用氢燃料的混合动力飞机能够满足使用要求，克服了现有技术的缺点并且实现了预定的目的。