中程液氢动力盒翼飞机的初步性能分析
作者为Giuseppe Palaia、Karim Abu Salem和Erasmo Carrera，发表于《Aerospace》2024年第11卷。文章主要对由液氢（LH₂）推进的中程客机进行了性能分析，重点关注其在可实现的有效载荷和航程方面的运行性能。选择了非常规的盒翼结构以最大化运行性能，并开发了基于优化的多学科设计框架，通过设计和集成存储LH₂所需的燃料箱来改造基线中程盒翼飞机，探讨了不同的储罐布置和布局方案，分析了引入该能源载体对飞机运行性能的影响，并与竞争对手的管翼飞机进行了比较。
图1.箱翼飞机的艺术效果
研究背景 - 行业需求：航空旅行需求持续增长，同时减少航空业碳足迹的需求也日益迫切，需要探索非渐进式的解决方案，包括非常规机身和替代推进技术。 - **技术现状**： - **电气能量**：存储在电池中的电能，其主要缺点是电池的低重力能量密度会导致重量大幅增加，因此电动或混合动力飞机主要适用于短程飞行，对于中长程飞机则较难受益，且评估实际排放时需考虑电力生产方法向可再生能源的转型。 - **可持续航空燃料（SAF）**：由有机成分（如生物质）制成的SAF可将生命周期排放减少高达80%，与当前煤油混合时可减少高达40%。 - **氢**：具有高能量密度和低排放的特点，但主要缺点是低体积能量密度，在室温下以低密度气态形式存在，需要低温和特定储罐来储存，液氢和低温压缩氢可增加其体积能量密度，但储存困难，且相关生产过程成本高、依赖电力（仍依赖大量化石能源）。
图2 氢气的密度-温度图 - **相关研究**： - NASA在20世纪70年代评估了氢在载荷、航程、排放、成本和主要机场要求等方面的影响。 - 2000年，欧洲项目Cryoplane评估了氢基飞机对缓解航空气候影响的可行性。 - 其他研究在氢飞机的设计、结构质量评估、概念改装等方面取得了一定成果，如发现MTOW可降低25 - 30%，以及对不同飞机类别的设计框架和改装方法的研究等。
图3.机身中氢气罐集成的例子：无机身修改（（左），图像改编自[56])，有机身修改（（右）
- **盒翼优势**： - **增加有效载荷**：基于文献结果，盒翼概念通过提高升力能力（得益于两个交错的主翼和非圆形的近乎椭圆形的机身设计，可提供比单通道飞机更多的内部体积），在不影响气动性能的情况下，可实现比传统管翼飞机更大的有效载荷，对于中程飞机，与混合动力系统结合可进一步降低燃油消耗和排放。 - **其他优势**：盒翼的升力系统设计根据Prandtl提出的最佳机翼系统理论，能够在整个运行包线中实现更好的性能。
图4LH2罐纵断面（左）和横截面（右）示意图
图5.LH2改造设计工作流程方案。
- **H₂储存系统** - **储存特点**：氢的物理特征与当前煤油不同，为增加密度需以液体或压缩气体形式储存，温度接近绝对零度，需特定储罐且内部体积需与飞机兼容，这对飞机的设计和集成提出了挑战。
表1.基线箱翼和管翼配置的主要数据
- **储罐设计**： - **材料选择**：为保证安全储存氢，储罐需选用高强度 - 重量比的材料，如钛合金可保证在承受高压（如低温液体氢的内部压力高于外部压力）时具有足够的强度，同时储罐一般由皮肤（分离器）、绝缘材料（如泡沫，包括闭孔泡沫和多层绝缘材料，用于减少热流）和结构材料（需考虑载荷，如内部压力高于外部压力时的情况以及垂直方向的惯性载荷等）组成。 - **设计考虑**：储罐有整体式和非整体式两种，整体式是飞机结构框架的一部分，可作为承载结构，但会对飞机结构进行深度修改；非整体式安装在飞机结构框架上，会增加飞机空重，一般位于机身，因为机翼体积不足。本研究采用不改变飞机结构的非整体式储罐改装程序。 - **热力学分析**：氢的热力学状态对飞行耐力有影响，评估储罐内部氢状态动力学有助于了解不同储罐配置和布局下的飞行 endurance，同时需考虑热流、汽化和排气等因素对氢状态的影响。具体来说，保持氢在液体（低温）状态需要储罐适当绝缘，因为氢与外部环境的温度梯度会产生热流，可能导致LH₂沸腾，增加储罐内部压力（通过预设的排气阀控制），热流与温度差（与环境温度和海拔等相关）和绝缘材料的热导率有关。
图6.可能的气瓶-机身集成布局的结构表示：FS（左）、带有两组气瓶的FS（中）、PS（右）。
图 7.集成罐的侧视图（左）和横截面（右）
- **设计方法论** - **概念设计框架**：遵循特定的工作流程（如图5所示），允许对常规（管翼）和非常规（盒翼）机身的煤油飞机进行LH₂改装，初始化设计过程时对改装策略做出一些假设，包括飞机尺寸、外部形状（储罐集成在机身内部）、空气框架结构质量和气动性能（如不同操作条件下的气动极曲线）等不变，且LH₂ - retrofit飞机的MTOW不应超过基线飞机。对于盒翼飞机，参考基线来自于文献[49]，同时与中程常规管翼飞机（CeRAS CSR - 01）进行比较，相关数据见表1。改装的第一步是几何定义和结构尺寸设计，储罐有“全截面”（FS）布局和“局部截面”（PS）布局两种模式（如图6所示），通过改变设计变量（如圆柱部分长度Lc、端盖纵横比ft、角度ϕ、支撑距离ds、绝缘材料厚度tin和最小安装半径Rm等）来设计不同的储罐布局。
表4.设计变量的上限和下限。
图8.机身储罐集成横截面示例；Rm=0.09m（顶部）；Rm = 0.45 m (bo
- **优化飞机改装**：在MatLab中开发，用于评估LH₂罐集成对盒翼性能的影响，优化过程旨在确定不同机载储罐布局的尺寸，并评估盒翼配置改装为LH₂推进后的任务性能。设计变量的向量x由{Lc, ft, ϕ, ds, tin, Rm}组成，其上下边界分别为lb和ub，通过在表4所示的区间内变化这些变量来探索设计空间。例如，通过改变ϕ和Rm可以改变储罐在飞机横截面中的位置、尺寸和数量（如图8所示）。优化框架使用局部优化算法（具体为顺序二次规划方法）和多起始程序，目的是映射可用设计空间，以确定与飞机任务性能相关的设计参数趋势，而不是设计特定的最优解。在评估飞机性能时，进行了任务模拟，包括飞机纵向动力学模拟和储罐中氢热力学分析，同时考虑了一些假设，如飞机被定义为点质量、特定燃料消耗（SFC）恒定且能量消耗与煤油发动机相等、飞行阶段的模拟方式以及氢热力学的相关初始条件等。
图 9.范围与乘客数量（左）和油箱总容积
- **结果** - **案例一：全截面布局（FS）** - **payload和range的权衡**：引入氢导致payload减少，range取决于氢的物理性质（高比能和低体积密度），为实现长航程需大储罐，导致内部可用体积减少，影响passenger数量，但对于典型的中程航线，存在一些可行的权衡方案，例如6000 km（或4000 km）可由搭载约150（或190）名乘客的氢改装盒翼飞机实现，而1500 km的短程航线可由搭载约230名乘客的飞机完成，这些数据接近当前中程飞机的典型情况。 - **不同tank配置的影响**： - **端盖纵横比和内部体积**：具有相似尺寸的tanks可能因参数不同而导致不同的操作性能，如对于FS1和FS2布局中具有不同ft的储罐（如图10所示），虽然总圆柱长度相同，但ft影响储罐总长度和内部可用体积，进而影响passenger cabin的空间和可容纳的passenger数量。
图11：距离与总长度（左）；气瓶飞机布置细节（右）
- **tank位置和数量与range的关系**：tank的位置和数量（通过ϕ和Rm定义）影响内部tank体积，从而影响最大range。例如，对于具有相同总长度的tanks，由于内部体积和ϕ、Rm相关，所以在搭载固定数量乘客且总tank长度相同时，不同的tank配置可能导致飞机的最大range有显著差异（如图11所示）。 - **其他相关因素**： - **mass breakdown**：LH₂飞机的mass breakdown显示，虽然氢的specific energy约为煤油的三倍，但由于储罐体积等因素，payload减少，同时fuel mass fraction增加，payload weight fraction减少，但take - off weight因燃料重量降低而显著减少。
表5.案例A、B、C、D的储罐的主要数据。
- **tank的gravimetric efficiency**：tank的gravimetric efficiencyηt（定义为燃料储存质量与tank和燃料总质量之和的比值）受insulant厚度影响，低厚泡沫会导致能量损失，因为绝缘效果差会使LH₂沸腾和排气导致部分能量丢失，而高厚泡沫可提高效率，使更多的氢被有效燃烧（如图16所示）。 - **Payload - range energy efficiency（PREE）**：PREE是评估飞机生产力的常用指标，定义为飞行距离X和payload重量与飞行消耗能量E的乘积。改装后的氢飞机PREE显著低于参考飞机，说明其在payload - range方面的性能较低，这是因为payload减少对飞机性能的影响比潜在的range扩展更显著，即使飞行能量消耗有所减少，也无法弥补这种性能下降（如图17所示）。 - **案例二：局部截面布局（PS）**
图12。通风氢质量与任务时间（左）和热流分数与时间（右）。
- **性能和重量比较**：PS布局中，tanks位于机舱地板下方的货舱中，这导致可用体积显著减少，从而使可存储的氢量大大降低，range也大幅缩短。然而，这种布局的优势在于假设不会减少passenger cabin体积，因为tank集成不会影响它，但实际情况中，安装PS tanks会影响货舱体积，对于某些配置，可能需要找到一些实际解决方案，如略微减少passenger座位或重新分配机舱体积用于行李装载。在OEW方面，FS和PS案例没有显著差异，WTO的差异主要与氢存储量和passenger数量有关。具体来说，所有FS配置都满足货舱体积约束（考虑每位乘客携带一件行李，体积为0.113 m³），而PS配置中，tank集成不影响passenger数量的假设是有条件的，因为安装tanks也会导致货舱体积减少，对于一些配置，该约束可能会被轻微超出，但可以找到一些实际解决方案，如略微减少乘客座位或分配一些机舱体积用于行李装载。总体而言，货舱体积在处理大型储罐集成时是一个不能忽视的方面。
图 13.改装配置与参考基线（左）之间的范围比与燃料质量比以及装载氢的质量比
- **比较** - **比较设置**：对氢动力盒翼和管翼配置进行比较，应用敏感性分析，为两种架构选择最大化横截面tank面积的解决方案，考虑有无catwalk（宽度为0.80m）两种情况，具体参数设置见表6。 - **结果分析**：在任何Lc / 2R下，最大range值出现在tin约为60mm时，这是因为insulant厚度的变化会影响内部体积和vented hydrogen质量，tin变小时，内部体积增加，但绝缘变薄会使LH₂更容易venting，导致氢分散增加，同时大体积的绝缘材料也会引入重量惩罚。Lc / 2R对range的影响较为直接，R固定时，增加Lc可存储更多氢。在无catwalk情况下，管翼配置因MTOW较低可飞行更长距离，但在有catwalk时，情况相反，因为管翼上安装的tanks半径显著较小，导致体积低于盒翼上的tanks。此外，管翼配置在payload方面经历了严重减少，如在短程（约1500km）最多可搭载110名乘客（无catwalk时为2700km），减少到70名乘客（无catwalk时为8700km）；而盒翼在短程（约2300km）可搭载230名乘客，减少到150名乘客（中程约7100km）。这些结果与文献中其他研究的发现一致，表明在集成氢燃料箱时，飞机的有效载荷和航程会受到影响。
图14.储罐质量（左）、操作质量和系统质量（中心），以及OEW（右）与范围。
- **局限性** - **结构集成**：实际结构集成（如可靠的附件系统或整体机身结构重新设计）被忽略，这可能导致结构质量增加，且安全方面（包括静态和疲劳载荷）需仔细考虑，目前仅能做假设，实际设计需满足认证要求。 - **平衡和控制**：重心的平衡和控制对飞机的稳定性至关重要，但氢气罐的重量和位置会显著影响重心，这些方面可能影响解决方案的实际可行性，需从设计早期阶段就予以考虑。 - **基础设施**：虽然对氢飞机技术的详细研究可能会带来可行的解决方案，但机场接收、储存和处理液氢的能力以及相关设施的适配性是关键因素，若不能同步发展，可能成为瓶颈。
图 15.LH2（左）和有效载荷（中心）重量分数与范围- **结论** - **性能权衡**：用液氢替代传统化石燃料以减少CO₂排放会导致运行性能下降，具体表现为payload减少；盒翼基线飞机改装后，虽然payload减少显著，但仍能在1500km航程运输230名乘客或在4800km航程运输170名乘客，而类似的改装在管翼飞机上会导致性能数字恶化，如在4800km航程中最多运输90名乘客。
图16.罐重量效率与体积绝缘体厚度比（左）、罐质量分解与罐体积（中心）、燃烧氢气与绝缘体厚度的比例（右）。
图17. PREE与范围（左）以及改装飞机和参考飞机之间贡献的比较：有效载荷范围贡献（中心）和能量贡献（右）。
- **未来方向**：目前的结果仅为概念性的，进一步的分析需引入结构集成、安全、认证、稳定性、维护和安装等方面的因素，这可能会进一步降低运行性能估计；同时，当前的改装方法可能抑制了一些有益于性能的设计杠杆，未来将建模并整合这些方面到设计工作流程中，以增强对氢动力飞机技术的了解并提供更准确的性能估计。
