采用引射式动力风扇的混合翼身-联结翼布局的氢能飞机

本发明属于航空飞行器设计，涉及一种飞机总体方案，具体涉及一种采用引射式动力风扇的混合翼身-联结翼布局的氢能飞机。

背景技术：

1、随着航空运输业的发展，飞机运行过程中产生环保问题受到越来越多的关注，因此，绿色航空逐渐成为全球航空业的共识、要求和奋斗目标。传统大型民用飞机多采用翼吊形式的大涵道比涡扇发动机，为了实现大推力、大推重比和低油耗的设计目标，已经优化至极致性能，导致其结构机构复杂，工艺实现难度大，以电力为主要能源的绿色航空在近几年蓬勃发展，成为新的研究焦点和发展趋势。电推进的特点是动力系统的“尺度无关性”，即将单个大功率的动力系统拆分为多个小功率的动力系统不会改变动力系统的功率密度和效率，因此电推进飞机多采用分布式电推进布局。

2、目前已推出的分布式电推进布局方案，有的是提出全新的设计方案，例如德国的lilium jet飞行器，采用了全新的双翼面加分布式电推进涵道风扇布局设计，通过在前翼和机翼上布置36台可倾转的涵道风扇来实现垂直起降和推进飞机；有的是基于现有的型号进行电动化改装，例如美国nasa的x-57“麦克斯韦”验证机，是对p2006t飞机的进行的改装，飞机为常规总体布局，通过在两侧翼尖布置有带螺旋桨的巡航控制电机用于回收翼尖涡损失的能量，并在机翼前缘区域分布布置12个带螺旋桨的小型高速电机用于在起飞和降落阶段提供最大升力；再例如美国nasa的电动化的n3-x，为翼身融合体布局形式(blended wingbody，bwb)，采用了分布式超导涡轮电推进系统，由布置在翼尖的两台涡轴发动机分别驱动两台发电机，进而为超导电动机供电，驱动位于翼身融合体后缘上面的14台分布式风扇推进器。但现有的这些方案存在如下问题：1、采用的传统螺旋桨或涵道风扇的动力形式机械连接形式复杂，旋转机械裸露在外，噪音大，对工作人员和周边生活的群众影响较大，且低空飞行容易发生鸟撞事故，低空飞行安全性较差；2、采用翼身融合体的布局形式(bwb)，起飞、着陆滑跑距离较长，此外，没有垂尾，使得飞机偏转或纵向摆动时难以及时纠正，导致飞机转弯半径大，不易控制；且大迎角状态下翼身融合体会对机体后方的平尾产生明显的阻挡和下洗效应，影响飞机的稳定性；3、现有电动飞机主要采用锂离子电池和油电混合的动力推进系统，锂离子电池是目前最为成熟也是被采用最多的动力技术方案，但其能量密度和功率密度都较低，因而锂电池重量会占全机重量较大的比例，而油电混合动力推进系统则仍然没有彻底摆脱化石能源的消耗。

技术实现思路

1、为解决现有分布式电推进总体方案中所存在的问题，本发明提出一种采用引射式动力风扇的混合翼身-联结翼布局的氢能飞机，通过采用引射式动力风扇，没有外露的扇叶，从而提高低空安全性和降低气动噪声；通过采用混合翼身布局形式(hybrid wingbody，hwb)，在保留翼身融合体(bwb)高升阻比、高装载能力的优点的前提下，能有效提高飞机的操纵性和稳定性；通过采用氢燃料电池为动力电池，以氢能为能源，彻底摆脱化石能源的消耗。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种采用引射式动力风扇的混合翼身-联结翼布局的氢能飞机，包括翼身融合机身主体、后机身、联结翼、动力与能源系统和起落架；

4、所述翼身融合机身主体包括机头、中央翼段和机翼；所述机头与所述中央翼段高度融合，所述中央翼段与所述机翼高度融合；所述机头位于所述中央翼段前端，整体设置为可翻转打开的舱门；所述中央翼段从展向被分为三部分，中间一部分内部设有飞机货舱，是装载有效载荷的主要区域，两侧区域用于布置所述动力与能源系统和主起落架；所述机翼对称连接于所述中央翼段的两侧；所述机翼包括中翼段和外翼段，所述中翼段与所述中央翼段连接，所述外翼段与所述中翼段连接；

5、所述后机身采用常规桶状机身外形连接于所述中央翼段的后侧，后机身的尾部上侧设有常规垂尾；

6、所述联结翼采用梯形前掠翼的形式对称布置于所述后机身的两侧；所述联结翼的一端与所述后机身的垂尾上端相连接，所述联结翼另一端与所述机翼的中翼段和外翼段的结合位置相连接；

7、所述动力与能源系统包括引射式动力风扇、氢罐、氢燃料电池、压气机、能源控制系统、压气机进气管道、氢燃料电池供气管道、压气机高压供气管道、普通电池、压气机进气口和控制线路；所述引射式动力风扇为无扇叶射流涵道结构，为飞机的动力推进装置；所述氢罐用于存储氢燃料；所述氢燃料电池通过氢燃料产生电能为飞机供电；所述压气机用于给氢燃料电池提供空气，并给所述引射式动力风扇提供高压空气；所述能源控制系统用于控制所述压气机的启停和供气压力，并控制进入所述氢燃料电池内部的空气和氢气的量；所述普通电池为所述能源控制系统和压气机提供启动电源；

8、所述起落架包括前起落架和主起落架。

9、进一步的，所述引射式动力风扇包括中央翼段翼上引射动力风扇和中翼段翼上引射动力风扇，分别对称设置于所述中央翼段和所述中翼段的上表面靠近后缘处；所述中央翼段翼上引射动力风扇与所述中央翼段围成无扇叶射流涵道结构；所述中翼段翼上引射动力风扇与所述中翼段围成无扇叶射流涵道结构；

10、进一步的，所述引射式动力风扇在涵道外表面设有进气口，在涵道内壁面设有环状的射流细缝，在进气口和射流细缝之间设有整流腔联通进气口和射流细缝；当高压气体从进气口进入整流腔经过腔体的流道整流后，沿着涵道内壁面的射流细缝射出，在涵道内射流细缝附近产生低压区域，诱导所述引射式动力风扇前方气流向后加速，从而获得推力。

11、进一步的，所述动力与能源系统中，所述氢罐设于所述翼身融合机身主体的中央翼段的两侧区域；所述氢燃料电池和所述能源控制系统设于所述氢罐后方；所述压气机和所述普通电池设于所述后机身内部；所述压气机进气口布置在所述后机身与中央翼段结合处上方；所述压气机进气口通过压气机进气管道与压气机相连；所述压气机通过氢燃料电池供气管道与氢燃料电池相连，空气经压气机能够进入到氢燃料电池内部；所述压气机通过压气机高压供气管道与所述中央翼段翼上引射动力风扇和中翼段翼上引射动力风扇相连，压缩后的高压空气经过压气机能够进入到引射式动力风扇内部；所述能源控制系统通过控制线路与所述氢罐相连，能够控制进入所述氢燃料电池内部的空气和氢气的量，进而控制氢燃料电池产生电能的功率；所述能源控制系统通过控制线路与所述压气机相连，能够控制压气机的启停和供气压力；所述普通电池为所述能源控制系统和压气机提供启动电源，待氢燃料电池正常运行后由氢燃料电池为飞机供电。

12、进一步的，所述翼身融合机身主体的中央翼段后缘设有中央翼段后缘襟翼及襟翼舱；所述机翼的中翼段后缘设有中翼段后缘襟翼及襟翼舱；所述中央翼段后缘襟翼和中翼段后缘襟翼通过运动机构与所述中央翼段和中翼段连接，能够从襟翼舱中伸出和偏转；所述中央翼段后缘襟翼、中翼段后缘襟翼和所述引射动力风扇配合，在起飞和降落阶段起增升作用；所述机翼的外翼段后缘设有副翼；所述后机身上的垂尾后缘设有方向舵；所述联结翼的后缘设有升降舵。

13、进一步的，所述动力和能源系统的工作原理为：所述氢罐中存储的氢燃料由所述能源控制系统控制输送给所述氢燃料电池；所述氢燃料电池基于氢燃料和氧气发生化学反应产生电能驱动所述压气机；所述压气机通过压气机进气口从外界抽吸空气，压缩以后分别向所述氢燃料电池和引射式动力风扇供气，其中供给所述引射式动力风扇的气体从进气口进入整流腔经过腔体的流道整流后，沿着涵道内壁面的射流细缝射出，在涵道内射流细缝附近产生低压区域，诱导所述引射式动力风扇前方气流向后加速，从而获得推力。

14、进一步的，所述动力和能源系统的氢罐中存储的氢燃料是液氢或气氢。

15、进一步的，所述中央翼段后缘襟翼、中翼段后缘襟翼和所述引射式动力风扇配合增升的工作原理为：当起飞和降落时，所述中央翼段后缘襟翼和中翼段后缘襟翼向后伸出并偏转，所述引射式动力风扇喷射出的高速气流在科恩达效应的作用下沿中央翼段后缘襟翼和中翼段后缘襟翼的上表面流动，在襟翼上表面产生低压区，而偏转的中央翼段后缘襟翼和中翼段后缘襟翼的下翼面阻碍气体流动，在襟翼下翼面形成高压区，两者综合作用，从而起到增升效果。

16、进一步的，所述翼身融合机身主体的中央翼段中间飞机货舱的两侧壁设有可拆卸壁面，用于拆装所述氢罐；当拆卸氢罐时，将飞机货舱两侧可拆卸壁面打开，将氢罐通过开口推至飞机货舱内，再经过机头舱门移出飞机，装载时反向操作。

17、有益效果

18、本发明提出一种采用引射式动力风扇的混合翼身-联结翼布局的氢能飞机，通过采用无扇叶的引射式动力风扇作为推进装置，没有外露的旋转机械，一方面可有效降低旋转机械带来的气动噪声，另一方面也可降低鸟撞对动力系统安全性带来的威胁，从而提高低空安全性；通过采用混合翼身布局形式(hybrid wing body，hwb)，，即翼身融合体加常规后机身的布局形式，在保留翼身融合体(bwb)高升阻比、高装载能力的优点的前提下，能有效提高飞机的操纵性和稳定性；通过采用氢燃料电池为动力电池，以氢能为能源，彻底摆脱化石能源的消耗。

19、并且，相比于传统翼身融合体(bwb)布局，采用引射式动力风扇与机翼的耦合能够有效利用科恩达效应增升，缩短起飞、着陆滑跑距离，从而提高飞机的短距起降能力；采用联结翼使得升降舵位置高，可减少翼身融合机身主体对纵向安定面、操纵面的影响，从而提高飞机的纵向稳定性；采用联结翼连接垂尾和机翼还能提高机翼的刚度，可进一步的提高机翼展弦比，从而提高飞机的高速气动性能；此外，联结翼上还可以方便的布置全向雷达等探测装置。