Page 55 - 《真空与低温》2026年第1期

52 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

were determined to be 0.80 mm and 1.20 mm，respectively，meeting the strength requirements. The empty weight decreased
from 11.31 kg to 9.77 kg，while the mass hydrogen storage ratio increased from 16.28% to 18.38%. This study provides a the-
oretical reference for the structural optimization and design of liquid hydrogen storage tanks for unmanned aerial vehicles.
Key words：unmanned aircraft vehicle； liquid hydrogen storage tank； thermal coupling analysis； lightweighting im-
provement

0 引言 度的前提下，尽可能减小壁厚，达到减轻质量的目
[8]
[9]
的 。冯小松等 使用应变强化后的 304 不锈钢代
氢燃料电池系统的能量密度可达 1 865 Wh/kg，
替原本材料，通过仿真研究得到二者极限载荷下所
远超普通锂电池（200 Wh/kg），在无人机（Unmanned
[1]
Aerial Vehicle，UAV）领域展现出显著优势 ，有望 需的最小壁厚，应变强化后的柱壳和封头分别减薄
[2]
成为实现无人机超长航时的理想燃料载体 。然 45.4% 和 33.3%。王战辉等 [10] 对低温压力容器的椭
而，液氢标准沸点极低（−253 ℃），液氢容器内部与 圆形封头和碟形封头进行仿真研究，利用 ANSYS
外界环境存在巨大温差，须采用高效的绝热技术减 一阶优化设计及多次迭代，获得压力容器体积最小
少漏热，提升液氢的储运效率；此外，液氢储罐还要 值。研究者 [10] 使用布谷鸟搜索算法对压力容器关
满足低温带压条件下的强度需求。液氢储罐的主 键部件进行结构优化，优化后的体积减小了 19%，
要漏热途径包括支撑结构漏热、绝热结构漏热与 并以此为基础设计了实现压力容器关键部件的结
进出管道漏热，许多学者对其开展了强度和传热的 构优化系统。谭晶莹等 [11] 使用参数化建模方法，
[3]
相关研究。朱宇豪等 为车载液氢瓶设计了一种 借助 ANSYS 中的优化设计模块对压力容器的壁厚
三点支撑结构，使用有限元方法对该结构进行了热 参数进行优化，得到最佳设计参数下的设备质量减
力耦合分析和模态分析，结果表明该支撑结构的强 小了 8.5%。朱艳 [12] 以低温液体运输车加强圈为优
度满足校核标准，不会发生共振，且通过该支撑结 化对象，以大小加强圈组合使用时的外压容器稳定
构的漏热量为 19.6 W。张晓兵 针对 500 L 液氢储 性为约束，通过参数化建模方式对加强圈进行优化，
[4]
罐提出了一种新型后端支撑结构，使用数值计算方 优化后的加强圈质量下降了 20.64%。
法对该结构进行了传热分析和极限承载能力分析， 调研发现，当前关于液氢储罐的轻量化研究
结果表明该结构能满足不同路况下的承载能力要 多集中在低温罐车，针对无人机应用场景的储罐
[13]
求，且漏热率降低了 31.87%。相较于车载移动式 轻量化研究较为有限 。无人机机载液氢储罐体
液氢储罐，机载液氢储罐的结构更为简单，但在空 积更小、结构更简单，且对起飞质量非常敏感，其
[5]
间利用和绝热方面要求更高。赵海龙等 研制了 对轻量化的需求更为迫切。为满足无人机应用场
容积为 60 L 的球形真空多层液氢储箱，开展了液氢 景对液氢储罐的多种需求，本文将对某无人机 30 L
蒸发试验，试验结果表明，储箱的日蒸发量为 0.55 kg， 液氢储罐进行稳态传热分析、强度分析和轻量化
改进，为后续的机载液氢储罐设计提供新思路和理
日蒸发率为 16.27%，表观热流密度为 1.96 W/m ，以
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论基础。
此为依据估算 4 950 L 全尺寸无人机液氢储箱的日
蒸发率为 2.31%，满足无人机技术要求。徐伟强等 [6-7] 1 液氢储罐仿真模型构建
针对无人机液氢球罐设计了新型点支撑结构，使用 1.1 几何对象与材料参数
有限元方法进行数值模拟后发现，使用该结构的液 图 1 为某无人机液氢储罐的模型，总长约为
氢球罐日蒸发率约为 0.6%，由于采用了点支撑结 780 mm，设计总容积为 31 L，净储氢容积为 29.5 L，
构代替传统面支撑结构，该液氢球罐的绝热性能远 空重为 11.31 kg。该储罐为卧式双层容器，内外容
强于一般的高真空多层容器；点支撑开孔虽导致球 器外径分别为 254 mm 与 333 mm，真空腔厚度为
壳最大应力增大，但仍未超出许用值。 38 mm，内部填充高真空多层绝热材料。储罐设置
随着低温技术和材料技术的发展，应用于飞行 有进液管、排气管、测压及液位出线管三条管路，
器的液氢储罐的轻量优化研究备受关注。储罐轻 以及一个抽真空口、一个加热带出线口，支撑方式
量化主要通过两个途径：材料轻质化，选用密度更 为经典八点支撑，内容器与支撑全部采用焊接型式
低的材料，如铝合金等；设计轻量化，在保证容器强 连接，主要设计参数如表 1 所列。