Hydrogen hybrid power system sizing and evaluation for a fixed-wing UAV

Abstract

This thesis investigates the conceptual sizing and system-level evaluation of a hydrogen hybrid power system for a fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) intended for long-endurance operation. The study examines how propulsion power demand, hydrogen storage mass, and fuel cell power influence UAV endurance, flight range, and overall system feasibility.

A MATLAB-based modelling framework was developed to evaluate the performance of a conceptual hydrogen hybrid fixed-wing UAV configuration. The modelling approach combines a steady-state performance model with a simplified dynamic mission-level simulation model. The steady-state model was used to evaluate propulsion power demand, hydrogen consumption, endurance, and flight range, while the dynamic simulation was used to examine transient mission behaviour and simplified fuel cell–battery power-sharing during different flight phases.

The results indicate that hydrogen hybrid propulsion systems can enable long-endurance operation within the power range of currently available UAV fuel cell systems. The results further indicate that all system parameters are strongly interconnected, with overall mass acting as a major design constraint.

The study highlights the importance of system-level optimisation in hydrogen-powered UAV design and demonstrates the feasibility of the proposed hybrid fuel cell–battery architecture for long-endurance fixed-wing UAV applications.

Tässä diplomityössä tarkastellaan kiinteäsiipiselle miehittämättömälle ilma-alukselle (UAV) suunnatun vetyhybridi-voimajärjestelmän konseptitason mitoitusta ja järjestelmätason arviointia pitkän toiminta-ajan sovelluksia varten. Työssä tutkitaan, kuinka tehontarve, vedyn varastointijärjestelmän massa ja polttokennon teho vaikuttavat UAV-järjestelmän lentoaikaan, toimintasäteeseen ja kokonaisjärjestelmän toteuttamiskelpoisuuteen.

Työssä kehitettiin MATLAB-pohjainen järjestelmätason mallinnuskehys konseptitason vetyhybridi-käyttöisen kiinteäsiipisen UAV:n suorituskyvyn arviointia varten. Mallinnusmenetelmä yhdistää vakaan lentotilan suorituskykymallin sekä yksinkertaistetun dynaamisen simulointimallin. Vakaan lentotilan mallia käytettiin tehontarpeen, vedynkulutuksen, lentoajan ja toimintasäteen arviointiin eri käyttöolosuhteissa, kun taas dynaamista simulointia käytettiin tarkastelemaan hetkellisiä lentotilanteita sekä yksinkertaistettua polttokenno–akku-tehonjakoa eri lentovaiheiden aikana.

Tulokset osoittavat, että vetyhybridi-järjestelmät voivat mahdollistaa pitkän toiminta-ajan ja -matkan kiinteäsiipisille UAV-alustoille. Tulokset osoittavat lisäksi, että vedyn määrän kasvattaminen kasvattaa merkittävästi järjestelmän massaa vedyn varastointijärjestelmän lisämassan vuoksi, mikä aiheuttaa keskinäisiä riippuvuuksia varastoidun energian määrän, tehontarpeen ja saavutettavan lentosuorituskyvyn välillä.

Työ korostaa järjestelmätason optimoinnin merkitystä vetypohjaisten UAV-järjestelmien suunnittelussa ja osoittaa ehdotetun hybridi polttokenno–akkuarkkitehtuurin soveltuvuuden kiinteäsiipisiin UAV-sovelluksiin.