[發(fā)明專利]高超聲速飛行器蒙皮冷卻與半導體溫差發(fā)電一體化系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610035557.8
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105515448A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦江;程昆林;常軍濤;張鐸;鮑文
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高超聲速飛行器蒙皮冷卻與半導體溫差發(fā)電一體化技術(shù)。

背景技術(shù)

高超聲速飛行器在高飛行馬赫數(shù)下飛行，其表面會因氣動加熱而產(chǎn)生高溫，如果處理 不當會對飛行器產(chǎn)生嚴重的燒蝕，這就使得飛行器蒙皮的熱防護問題成為高超聲速飛行的 關(guān)鍵技術(shù)之一。同時，對于長航時的高超聲速飛行器，單一的電池已經(jīng)無法滿足供電需求， 必須引入一種能夠持續(xù)發(fā)電的供電系統(tǒng)。

飛行器以高超聲速在大氣層中飛行時，空氣收到強烈的壓縮和摩擦作用，大部分動能 轉(zhuǎn)化為熱能，導致空氣為溫度急劇升高，使得熱量迅速向飛行器表面?zhèn)鬟f。這種由于物體 在大氣層中高速飛行而產(chǎn)生的加熱現(xiàn)象，稱為“氣動加熱”。一般當飛行馬赫數(shù)為8時， 飛行器機體前緣溫度可達1800℃以上，其他部位也將在600℃左右。目前較為成熟的飛行 器蒙皮熱防護技術(shù)包括吸熱式結(jié)構(gòu)、輻射式結(jié)構(gòu)和燒蝕式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠較為有效地實 現(xiàn)熱防護的功能，但普遍存在結(jié)構(gòu)重量大、工作時間短的問題，更重要的是還停留在“防” 熱的層面，而無法實現(xiàn)對氣動熱的有效利用，這對于提升高超聲速飛行器性能顯然是不利 的。

對于長航時的高超聲速飛行器，功率密度較低的化學電池難以滿足供電需求，而采用 常規(guī)的利用熱機帶動發(fā)電機的供電方式同樣存在較多的問題。一方面，對于吸氣式高超聲 速飛行不可或缺的超燃沖壓發(fā)動機并不具備軸功的輸出條件，需要額外的旋轉(zhuǎn)式熱機，這 必然導致較大的質(zhì)量懲罰；另一方面，包括發(fā)電機在內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)部件需要獨立的支撐結(jié) 構(gòu)和滑油系統(tǒng)，進而造成系統(tǒng)復雜性的提高和可靠性的下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決長航時高超聲速飛行的飛行器表面熱防護問題與飛行器供 電問題，提供一種高超聲速飛行器蒙皮冷卻與半導體溫差發(fā)電一體化系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的高超聲速飛行器蒙皮冷卻與半導體溫差發(fā)電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括蒙 皮、半導體溫差發(fā)電模塊、兩個導熱絕緣層、燃料通道和多根導線；

半導體溫差發(fā)電模塊固定在兩個導熱絕緣層之間，蒙皮的一側(cè)固定在一個導熱絕緣層 的外側(cè)，蒙皮的另一側(cè)為熱流；燃料通道的一側(cè)固定在另一個導熱絕緣層的外側(cè)；燃料通 道用于流通較低溫度的燃料；

半導體溫差發(fā)電模塊由M個P型半導體熱電材料、M個N型半導體熱電材料和2M+1 個導流片組成，M個P型半導體熱電材料和M個N型半導體熱電材料通過2M+1個導流 片串聯(lián)在一起，并且M個P型半導體熱電材料和M個N型半導體熱電材料間隔排布； 每個P型半導體熱電材料兩端的導流片分別固定在兩個導熱絕緣層的內(nèi)側(cè)，每個N型半 導體熱電材料兩端的導流片也分別固定在兩個導熱絕緣層的內(nèi)側(cè)；

與位于半導體溫差發(fā)電模塊一端的P型半導體熱電材料相連的導流片為半導體溫差 發(fā)電模塊的正極；與位于半導體溫差發(fā)電模塊另一端的N型半導體熱電材料相連的導流 片為半導體溫差發(fā)電模塊的負極；

半導體溫差發(fā)電模塊的正極通過導線與負載的一端相連，半導體溫差發(fā)電模塊的負極 通過導線與負載的另一端相連；

所述M為正整數(shù)。

本發(fā)明的工作原理是飛行器前緣的外表面因氣動加熱產(chǎn)生的中溫熱能，溫度較高的蒙 皮與燃料通道泵出的燃料存在溫度差為半導體溫差發(fā)電模塊實現(xiàn)熱電直接轉(zhuǎn)換提供了條 件，通過燃料通道中持續(xù)流動的燃料來維持半導體溫差發(fā)電模塊正極與負極的溫差，將未 轉(zhuǎn)換為電能的相對較低品位的中低溫熱能通過熱傳遞的方式轉(zhuǎn)移至燃燒室，隨著不斷向燃 料通道輸送燃料，將中溫熱能轉(zhuǎn)換為高品位的燃燒熱能。

本發(fā)明的有益效果是將蒙皮冷卻系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)合二為一，降低了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，減小 了質(zhì)量懲罰；采用半導體溫差發(fā)電模塊進行發(fā)電，結(jié)構(gòu)簡單，無旋轉(zhuǎn)部件，振動小、可靠 性高；燃燒室中的燃料吸收了較低品位的中溫熱能并生成了高品位的燃燒熱能，實現(xiàn)了能 量品位的提升；降低了飛行器外壁的溫度，實現(xiàn)蒙皮熱防護的同時降低飛行器紅外信號的 強度；獲得的電流為直流電，便于雷達、導航等電子部件的利用。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的高超聲速飛行器蒙皮冷卻與半導體溫差發(fā)電一體化系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式