本發(fā)明涉及氫能源無人機(jī)燃料管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氫能源無人機(jī)的液氫汽化控制方法。
背景技術(shù)：
氫能源無人機(jī)一般采用燃料電池或氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，本發(fā)明專利主要針對以氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置的無人機(jī)。常溫常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，液氫的體積能量密度比氣態(tài)氫壓縮存儲(chǔ)高10多倍，因此目前世界上大部分的氫能源無人機(jī)都采用液態(tài)氫存儲(chǔ)的方法。液態(tài)氫存儲(chǔ)需將氫氣冷卻到-253攝氏度變?yōu)橐簯B(tài)，然后將其儲(chǔ)存在高真空的絕熱容器中供使用。由于存儲(chǔ)容器內(nèi)液氫與環(huán)境溫度相差很大，為控制存儲(chǔ)容器內(nèi)的液氫蒸發(fā)損失和容器的安全(抗凍、承壓等)，對液氫存儲(chǔ)容器的絕熱材料的選擇和容器的設(shè)計(jì)均很高。一般液氫儲(chǔ)罐分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層盛裝溫度為-253攝氏度的液氫，通過由較長的玻璃纖維制成的支撐物置于外層殼體中心，夾層中間填充多層鍍鋁滌綸薄膜，減少熱輻射，各薄膜之間鋪上絕熱紙，增加熱阻，吸附低溫下的殘余氣體，用真空泵抽去夾層內(nèi)的空氣，形成高真空避免氣體對流漏熱，防止氫氣的過早汽化。傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫容器內(nèi)層一般采用阻氫性能好的金屬材料(如不銹鋼)，由于絕熱設(shè)計(jì)要求高，存儲(chǔ)容器的重量主要消耗在絕熱設(shè)計(jì)上，根據(jù)計(jì)算表明，絕熱設(shè)計(jì)良好的重200kg的液氫儲(chǔ)罐，僅能攜帶17kg的液氫，這相對于普通的航空汽油或煤油存儲(chǔ)并無較大的優(yōu)勢。同時(shí)絕熱設(shè)計(jì)良好的液氫儲(chǔ)罐對供氫管路的絕熱要求也很高，增加了管路的重量，同時(shí)需要增加專用的汽化器進(jìn)行液氫的汽化，增加了設(shè)計(jì)重量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種針對氫能源無人機(jī)更為高效輕便的氫能源無人機(jī)的液氫汽化控制方法；其通過降低儲(chǔ)氫容器的絕熱設(shè)計(jì)要求，然后通過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱實(shí)時(shí)控制儲(chǔ)氫容器的液氫汽化量，使液氫汽化量與無人機(jī)各飛行工況的氫燃料消耗量平衡，從而有效降低氫能源無人機(jī)燃料管理系統(tǒng)的重量，提高無人機(jī)的有效載荷重量，簡化主動(dòng)汽化控制，降低液氫的溢出量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種氫能源無人機(jī)的液氫汽化控制方法，包括以下步驟：
步驟1：確定氫能源無人機(jī)在各飛行工況下的功率需求；
步驟2：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線獲取不同功率需求下的氫燃料消耗量；
步驟3：確定氫能源無人機(jī)氫燃料消耗量下的液氫汽化所需的熱量；
步驟4：確定儲(chǔ)氫容器的傳熱效率；
步驟5：控制輸送至儲(chǔ)氫容器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量，使儲(chǔ)氫容器液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，具體為：無人機(jī)巡航階段時(shí)，儲(chǔ)氫容器的自然汽化量與氫燃料消耗量基本平衡，此時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱控制進(jìn)行微量調(diào)節(jié)；無人機(jī)起飛或爬升階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)大功率輸出，儲(chǔ)氫容器的自然汽化量小于氫燃料消耗量，此時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)余熱增加液氫汽化量，滿足燃料消耗需求；無人機(jī)下降或著陸階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)小功率輸出，此時(shí)若儲(chǔ)氫容器的汽化量大于氫燃料消耗量，則釋放多余氫氣。
在步驟1中，由飛行控制系統(tǒng)采集獲取無人機(jī)的飛行高度、飛行速度、無人機(jī)的姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，根據(jù)飛行性能數(shù)據(jù)庫確認(rèn)無人機(jī)所需的功率P；
在步驟2中，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性Map圖獲取發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率下的氫燃料消耗量m；
在步驟3中，液氫的汽化熱耗為：q汽化＝m·ΔHvap
其中：
ΔHvap為氫的汽化潛熱量綱，KJ/kg；
上式中：
T為液氫的飽和溫度；
Tc為氫的臨界溫度；
在步驟5中，為使液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，則發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱量應(yīng)與汽化所需的熱量相同，即存在以下公式：
q汽化＝q余熱/η
q余熱＝CpρVΔT
則液氫汽化所需的排氣體積為：
其中：
Cp為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的比熱容，J/(kg.K)；ρ為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的密度；
ΔT為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與液氫儲(chǔ)罐溫度的溫差；
η為儲(chǔ)氫容器傳熱效率。
所述步驟5中，儲(chǔ)氫容器液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，是指通過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量控制液氫汽化量；發(fā)動(dòng)機(jī)熱量采用節(jié)流閥控制所需排氣的體積。
本發(fā)明的有益效果在于：
通過上述方案，區(qū)別于現(xiàn)有的氫能源無人機(jī)燃料管理方法，允許儲(chǔ)氫容器有一定滲漏指標(biāo)(具體指標(biāo)根據(jù)氫能源無人機(jī)的特性參數(shù)確定)，使用排氣余熱控制液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，降低了液氫容器的隔熱要求，從而降低了儲(chǔ)氫容器的自重，簡化了氫燃料管理系統(tǒng)的控制，提高了氫能源無人機(jī)的有效載荷重量。
綜上，本發(fā)明利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱控制液氫汽化量，根據(jù)氫燃料的消耗量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量，針對不同氫燃料消耗量可進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，提高了氫能源的利用效率，降低了儲(chǔ)氫容器自重，為氫能源無人機(jī)燃料管理提供了可靠而可行的方法。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
為便于理解，此處結(jié)合附圖1對本發(fā)明的具體實(shí)施步驟作以下描述：
一種基于液氫汽化控制的氫能源無人機(jī)燃料管理的方法，包括如下步驟：
步驟1：確定氫能源無人機(jī)在各飛行工況下的功率需求；
步驟2：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線獲取不同功率需求下的氫燃料消耗量；
步驟3：確定氫能源無人機(jī)氫燃料消耗量下的液氫汽化所需的熱量；
步驟4：確定儲(chǔ)氫容器的傳熱效率；
步驟5：控制輸送至儲(chǔ)氫容器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量，使儲(chǔ)氫容器液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，具體為：無人機(jī)巡航階段時(shí)，儲(chǔ)氫容器的自然汽化量與氫燃料消耗量基本平衡，此時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱控制進(jìn)行微量調(diào)節(jié)；無人機(jī)起飛或爬升階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)大功率輸出，儲(chǔ)氫容器的自然汽化量小于氫燃料消耗量，此時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)余熱增加液氫汽化量，滿足燃料消耗需求；無人機(jī)下降或著陸階段時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)小功率輸出，此時(shí)若儲(chǔ)氫容器的汽化量大于氫燃料消耗量，則釋放多余氫氣。
其中，對于步驟1而言，確定氫能源無人機(jī)在各飛行工況下的功率需求P。具體使用時(shí)，主要通過無人機(jī)的飛行性能數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)階段可通過風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD仿真獲得)，獲取氫能源各飛行階段的功率需求。
步驟2的操作則應(yīng)參考發(fā)動(dòng)機(jī)廠家給出的外特性曲線，按照發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的相關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行確認(rèn)各功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的氫燃料消耗量m。
則步驟3該質(zhì)量下液氫汽化所需的熱量如下：
液氫的汽化熱耗為：q汽化＝m·ΔHvap
其中：
ΔHvap為氫的汽化潛熱量綱，KJ/kg；
上式中：
T為液氫的飽和溫度；
Tc為氫的臨界溫度。
步驟4中根據(jù)各飛行階段的氫燃料消耗量，設(shè)計(jì)允許有一定滲漏(液氫自然汽化量略小于巡航時(shí)需求)的儲(chǔ)氫容器，確認(rèn)儲(chǔ)氫容器傳熱效率η。
步驟5中為使液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，則發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱量應(yīng)與汽化所需的熱量相同，即存在以下公式：
q汽化＝q余熱/η
q余熱＝CpρVΔT
則液氫汽化所需的排氣體積為：
其中：
Cp為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的比熱容，J/(kg.K)；ρ為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的密度；
ΔT為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與液氫儲(chǔ)罐溫度的溫差；
η為儲(chǔ)氫容器傳熱效率。
通過上述方案，區(qū)別于現(xiàn)有的氫能源無人機(jī)燃料管理方法，允許儲(chǔ)氫容器有一定滲漏指標(biāo)(具體指標(biāo)根據(jù)氫能源無人機(jī)的特性參數(shù)確定)，使用排氣余熱控制液氫汽化量與氫燃料消耗量平衡，降低了液氫容器的隔熱要求，從而降低了儲(chǔ)氫容器的自重，簡化了氫燃料管理系統(tǒng)的控制，提高了氫能源無人機(jī)的有效載荷重量。
綜上，本發(fā)明利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱控制液氫汽化量，根據(jù)氫燃料的消耗量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量，針對不同氫燃料消耗量可進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，提高了氫能源的利用效率，降低了儲(chǔ)氫容器自重，為氫能源無人機(jī)燃料管理提供了可靠而可行的方法。