一种低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局的制作方法

1.本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局。


背景技术：

2.低温燃料是指类似于液态天然气、液态氢气等极低温度的液态燃料，需要存储于特制隔热储箱之中，低温燃料的低热值一般较高，导致飞机的燃料比油耗显著降低，从而同等重量的燃料可以飞行更远或更久；而对于固定航程或航时的设计，需要的燃料重量显著降低，省下的重量可用于增加商载重量。低温燃料飞机相对于传统燃料飞机，其航程或航时可以更大、商载能力更强；由于低温燃料的密度相对航空煤油显著降低，因此需要较大的存储容积，同时又由于需要保持极低温度，无法将油箱设计于机翼之中，只能使用机身储箱，造成飞机机身体积的增大，常规单机身布局需要设计为极粗的机身，同时机翼的展弦比不能取值过大，导致飞机的巡航效率降低，即便如此也可能造成飞机的商载空间不足但商载重量过剩的后果，极大的抵消了低温燃料带来的收益。翼身融合布局可以提供较大的内部容积，可以容纳较大的低温燃料储箱，但是翼身融合布局必须设计达到一定尺寸规模其内部容积和巡航效率才相对常规布局飞机有优势，否则会因为增加了飞控和制造困难等原因相对常规布局飞机没有优势可言；双体大展弦比后掠翼布局设计可以提供充足的低温储箱和商载机身容积，双体及翼吊发动机设计对于机翼具有极大的卸载作用，因而可以设计为较大的展弦比，从而可以一定程度地弥补双体带来的附加阻力的缺陷。
3.苏联的tu-155低温燃料试验飞机(包括lng和液氢)，欧美的a-310飞机及do-328液氢试验飞机在1980～2005年间进行过试飞，这些试验飞机均是为了缓解历次石油危机而推出，并均取得了试飞成功，但是伴随着石油危机的缓解和勘探发现的石油储量大增的历史进程而不幸放弃；近年来随着极端气候的频繁肆虐直接危害全人类的生存，例如是澳洲和北美夏季反常干旱导致的大面积火灾和冬季反常出现的大量可怕飓风，西欧地区和中国北方地区夏季反常出现的严重暴雨，终于使各国政府意识到事态的严重性，关注气候的全球条约终于获得全球主要国家的一致认同，低碳绿色的环保倡议得到响应；低温燃料飞机，尤其是液氢燃料飞机得到主要飞机制造商的严重关注，例如波音公司已经试飞了液氢长航时无人机探讨氢能源的航空应用，而空客公司一举拿出了三个液氢飞机概念设计，涵盖从直线到干线、螺旋桨到涡扇、常规布局到飞翼布局的概念设计。常规涡扇动力可能被燃料电池加电动涵道风扇替代，但是目前的燃料电池和电动机功率密度不足限制了其在大型飞机上的实际应用，目前只能在一些小型飞机上使用，未来燃料电池与电动机功率密度增强后以电气化替代燃气化则是完全可能的。
4.当前使用lng燃料的重型卡车已经是成熟的工业品了，而是用lh2燃料的重型卡车在戴姆勒公司、奔驰公司、北汽公司等已相继推出，续航可达 1000～2000公里，以解决重型卡车在机动车中以3％的数量制造了60％二氧化碳和污染排放的问题。尽管航空工业目前面临的低碳绿色压力没有重型卡车行业严重，但是国外已经意识到这个问题，尤其是类似
西欧这类地域狭小但是航空运输极端发达的地区，航空业的低碳绿色问题已经被提上规划。而对于类似亚太地区这类地域过于辽阔的地区，低温燃料飞机的大航程应用优势更应该得到重视。
5.常规航空煤油飞机存在如下缺点：(1)常规航空煤油飞机并不符合低碳绿色的环保要求，从飞机设计上显著改进其环保性难度极大，且常规航空煤油属于不可持续能源；(2)常规航空煤油飞机的比油耗过高，且仅从飞机设计上改进巡航效率因子增长已经接近极限；(3)常规航空煤油飞机无法使用低碳绿色的低温航空燃料，发动机尤其是油箱，甚至机舱机翼等都需要重新适应低温存储设计改造。缺点和问题1的原因，常规航空煤油提炼于石油，其生产量有限且总会有一天会枯竭，其提炼和使用过程中释放了大量的二氧化碳及其它有害气体液体和固体，危害大气、土壤与水源，从飞机设计上虽可减小其释放co2 和nox化合物的数量，但是不能从根本上消除，甚至相对于提炼过程即便改进也是微乎其微的；缺点和问题2的原因是，常规航空煤油飞机的理化性质决定，虽然通过大涵道比发动机设计或者其它总体气动布局设计(如翼身融合、边界层吸入式推进)可以显著降低飞机的比油耗，但是目前也已经逼近极限或较大的技术瓶颈，巡航效率因子改进余地有限；缺点和问题3的原因是低温燃料需要低温储箱保存，且飞机必须换装气体燃料涡扇发动机，同时因为燃料物理和化学特性的显著不同，例如燃料体积或重量差异极大，不能使用基于航空煤油燃料的飞机设计，必须从总体气动上重新设计，例如内部存储容积即显著的不同，且储箱必须按照保持极低温设计。
6.目前并没有成熟的现役低温燃料飞机，现有低温燃料飞机存在如下缺点和问题：如美国的“堪培拉”轰炸机，仅有一侧发动机换为液氢燃料发动机作为试验机型使用，苏联的tu-155飞机换装液氢发动机nk88实现商业飞行，但是由于液氢密度极低，机舱容积被液氢低温储箱挤占严重，美国的p-3海上巡逻机，仅作过设计探讨，发现在航程相同的条件下全机重量降低了20％，但是机舱容积仅剩35％，商载空间严重不足了。


技术实现要素：

7.本发明的目的是：提供一种低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局，以解决现有常规布局飞机面临的低碳绿色的环保紧迫压力问题，例如co2和nox 污染物的排放甚至决定了商用运输类飞机的市场生存，以及常规航空燃料来源的不可持续性问题；同时飞机的航程或航时可以获得显著的改进，例如可达 20000～30000公里的航程，从北京直飞阿根廷而不必转机或空中加油；对于固定航程飞行，低温燃料的比油耗显著降低，需要的燃料重量显著降低，因而商载重量可以显著增加。
8.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
9.一种低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局，所述低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局包含桶状双体机身、内含两个圆柱状低温燃料储箱、对称分布的两个v型尾翼、大展弦比后掠机翼、翼吊式气体燃料涡扇发动机等；圆柱状低温燃料储箱布置于机身中后部，每个机身均包含一个圆柱状低温燃料储箱。
10.所述两个圆柱状低温燃料储箱相对双机身容积占比：占整个机身内部容积的30％～60％；
11.所述低温燃料是指液态天然气、液态氢气等具有较高低热值，但是密度过低的非
常规飞机燃料；
12.机翼前缘后掠角为0～35度；
13.大展弦比后掠机翼的展弦比为7～15。
14.两个v尾梢根比(指翼尖弦长与翼根弦长之比)为0.3～0.6，展弦比为3～6， v尾上反角为30～60度；
15.机身长径比为10～15；
16.机翼内翼段相对展长的占比为：20％～40％。
17.机翼翼根处相对厚度为15％～20％，翼尖处相对厚度为10％～15％，两段交界处相对厚度为13％～18％。
18.翼吊式气体燃料涡扇发动机安装的展向位置相对半展长(指展向相对位置) 为40％～60％，发动机数量为2～6个。
19.优选地，机翼前缘后掠角为5～20度；大展弦比后掠机翼的展弦比为11～15。
20.v尾上反角为45～55度；机身长径比为11～13；机翼内翼段相对展长的占比为：30％～37％。
21.圆柱状低温燃料储箱也可分成多段，例如分解一部分储箱布置于机身头部附近以调节整机重心分布。
22.发动机也可被燃料电池加电动涵道风扇替代。
23.机翼内翼段后缘不一定是平直的，允许一定程度的后掠或者前掠。
24.机翼内翼段与外翼段前缘后掠角允许不相等，例如内翼段后掠角较大而外翼段后掠角较小。
25.两个机身之间的翼桥部位可设计挂载装置，以用于挂载较大尺寸和重量的商载物远距离运输或者空中投放。
26.两个v型尾翼也可设计为常规垂平尾，t型或十字型垂平尾，或是连接在一起的双十字尾翼。
27.大展弦比后掠机翼的外翼段可以设计为可折叠段，可折叠段可以是1段或者2段，在地面停放时可以向上折起锁定，以减小停放状态的翼展。
28.本发明的双体后掠翼飞机总体气动布局可以减小机身长度而增大机身直径的方法增加内部容积。
29.本发明的有益效果是：
30.一种低温燃料双体后掠翼飞机总体气动布局，发明的有益效果是极大的解决现有常规布局飞机面临的低碳绿色的环保紧迫压力问题，例如co2和nox 污染物的排放彻底消失或极大地减小，极大地提高商用运输类飞机因环保约束导致的市场生存力，不存在常规航空燃料来源的不可持续性问题，液氢可由太阳能、风能、水能、海洋能或者核能制取，来源无限；热效率提升潜力大，因可实现稀薄燃烧且自带极其优良冷源；氢气的导热性优异且音速大，导热性比空气约大7倍，音速比空气大约3倍，有利于燃烧和掺混；同时有航天工业和汽车工业利用氢能源的成熟技术铺垫；低温燃料因为质量能量密度高，如液氢飞机的航程或者航时可获得显著的改进，例如可达20000～30000公里的超远航程，从北京直飞阿根廷而不必转机或空中加油；对于固定航程飞行，低温燃料的比油耗相对常规航空煤油显著降低，飞行需要的燃料重量显著降低，因而商载重量可以显著增加，例如使用液氢燃料，同等
航程仅需航空煤油36％的重量，省下的74％航空煤油重量就是商载的增加潜力。
31.低温燃料飞机的目的是要逐步替换常规煤油飞机，目前并没有成熟的现役低温燃料飞机，空客波音等近提出了一些低温燃料飞机的概念方案和极其有限的试验机型，低温燃料飞机由于燃料密度与常规航空煤油飞机差距悬殊的问题，必须重新进行总体气动设计，而不是现有机型改型。
32.例如历史上的低温燃料飞机，如美国的“堪培拉”轰炸机，仅有一侧发动机换为液氢燃料发动机作为试验机型使用，由于机舱装载液氢的容积不足航程十分有限，苏联的tu-155飞机换装液氢发动机nk88实现商业飞行，但是由于液氢密度极低，客舱容积被液氢低温储箱挤占严重，美国的p-3海上巡逻机，仅作过设计探讨，发现在航程相同的条件下全机重量降低了20％，但是机舱容积仅剩35％，商载空间严重不足了。
33.此外即便是lng的来源相对于石油，也可以认为是可持续的，例如全球海底和冻土地带的可燃冰已探明储量可供人类使用1000年；同时使用co2和水制造ch4在技术上也是可行的，只是目前的成本过高，例如spacex公司准备在火星上使用co2和水制造ch4以获得飞船返回地球的燃料。
34.低温燃料飞机具有较低的比油耗，如液氢燃料的比油耗接近常规航空煤油的1/3，同等重量燃料航程可增加2倍量级，即便是lng燃料同等重量燃料也能增加约18％的航程，同时具有低碳绿色、能源来源具有可持续性的极大优势，但是低温燃料密度较低，如液态天然气密度仅有0.43～0.47吨/立方米，液氢更低，仅为0.071吨/立方米，而航空煤油密度为0.8吨/立方米，所以需要对常规飞机进行较大的改造，双体后掠翼布局相对翼身融合布局的优势在于不必设计为较大尺寸规模也可具有较高气动性能
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明的布局结构整体示意图；
37.图2为本发明的正视图；
38.图3为本发明的俯视图；
39.图4为本发明的左视图；
40.图5为本发明实施例的俯视尺寸；
41.图6为本发明实施例的左视尺寸；
42.图7为本发明实施例的正视尺寸；
43.图中，1桶状双机身，2大展弦比后掠机翼外翼段，3大展弦比后掠机翼内翼段，4对称分布的两个v型尾翼，5，圆柱状低温燃料储箱，6翼吊式气体燃料涡扇发动机等。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。下面将详细描述本发明实施例的各个方面的
特征。在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。如图2至图4所示为本发明的飞机布局结构示意图，其中，图5图6图7为具体实施例的飞机布局，其中数值单位为m。
45.低温燃料储箱容积1600立方米，分为左右两个部分，处于机身中后部，每个800立方米。发动机有6个，采用翼吊式布局，分别处于半翼展36.4％、49.1％、 61.8％处，燃料采用液氢。机翼前缘后掠角为35度；大展弦比后掠机翼的展弦比为11；，长径比13.6，具体见图5至7。
46.v型尾翼布局中，两个v尾梢根比为0.3，展弦比为5，v尾上反角为45 度。机身长径比为13.6；机翼内翼段相对展长的占比为20％。机翼翼根处相对厚度为17％，翼尖处相对厚度为10％，两段交界处相对厚度为15％；
47.在着陆阶段，低温燃料双体后掠翼飞机在机场跑道停止后机翼外翼段折叠并锁定，以便于大展弦比机翼飞机的移动与停放；而在起飞阶段，通过特制的燃料加注车辆或其它装置给飞机加注充足的低温燃料，机翼外翼段展开并锁定，然后类似常规飞机在跑道滑跑起飞。
48.双机身设计带来充足的机舱容积，能够容纳因为液氢密度极低带来的巨大体积，并剩余有充足的商载空间，而不必设计额外的外置低温燃料储箱导致飞机气动性能的显著降低，如外置低温储箱可能导致全机升阻比仅能达到11～12，而双机身设计全机升阻比可达16。
49.桶状双机身设计主要是为了增加机身内部存储容积，因为低温燃料如lng 或者lh2燃料的密度较低，需要较大的存储容积，并且需要保持极低的温度而不能存储于机翼内部，只能使用机身容积；两个圆柱状低温燃料储箱布置于机身中后部，每个机身均包含一个圆柱状低温燃料储箱；低温燃料储箱也可分解为多段，例如分解一部分储箱布置于机身头部附近以调节整机重心分布。
50.对称分布的两个v型尾翼在飞行状态时产生垂尾和平尾的作用，一定程度上减少了使用常规垂平尾的浸湿面积，有利于减少飞机的摩擦阻力，v尾直接安装在机身之上，结构强度更好更加牢固和安全；两个v型尾翼也可设计为常规垂平尾，t型或十字型垂平尾，或是连接在一起的双十字尾翼。
51.大展弦比后掠机翼由于没有翼内油箱可以设计较高结构强度，通过双机身布局设计和发动机布置为机翼飞行状态时的受力卸载，因此其展弦比可以大于一般的常规民航飞机；
52.翼吊式气体燃料涡扇发动机使用气体燃料，如液态ch4或者h2，这类燃料在存储状态时是以液态存储的，但是送入发动机时可以给发动机需要冷却的部位降温，是一类极其优良的冷源，由于冷却效果好可以提升发动机的热效率；同时液态燃料受热之后气化，以气态形式送入燃烧室，由于质量能量密度高产生相等能量需要的气体物质质量较少，因而可以实现稀薄燃烧，提升发动机的热效率，同时更环保；此类发动机也可被燃料电池加电动涵道风扇替代，经济性与环保性更强。
53.最后应该说明的是：为了避免由于飞机机翼展长过大干扰机场其他飞机的停放与移动，大展弦比机翼的外翼段可设计为两段可折叠机构，在机场移动与停放时外翼段折叠并锁定，而在跑道上准备滑跑起飞时机翼的外翼段展开并锁定，然后滑跑起飞。