基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置

摘要

本发明公开了一种基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置，包括稳压充电电路、蓄电池、变压供电电路和热电转换模块，热电转换模块通过稳压充电电路与蓄电池相连，蓄电池通过变压供电电路供电；热电转换模块包括多个热电发电单元，热电发电单元包括通过导电片相连的P型热电转换材料单元、N型热电转换材料单元和导电片，多个热电发电单元根据需要连接组合供电。本发明能够对飞行器工作过程中高速来流产生的气动热和发动机燃烧室的传热进行回收再利用，实现对飞行器进行有效地热管理和实现能量的综合利用以提高总的能量利用效率，有利于实现飞行器电源的小型化和轻量化，与飞行器热防护系统的有机结合，集成化程度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高超声飞行器技术领域，具体涉及基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置。 

背景技术

高超声速飞行器是21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。对高超声速飞行器而言，如何进行有效地热管理、实现整个飞行器的能量综合利用是高超声速飞行过程中面临的一个重要问题。一方面飞行器飞行过程中承受严重的气动热，超燃冲压发动机工作过程中面临严重的热载荷，这导致飞行器的蒙皮表面和超燃冲压发动机燃烧室的热防护面临巨大困难。另一方面，高超声速飞行器长时间飞行需要很大的电能消耗，以实现飞行器的导航、通信与流动控制等功能，这对飞行器电源系统的小型化和轻量化提出了更高的要求。 

温差热电技术是一种利用热电材料实现热能和电能直接转换的技术，自1821年由赛贝克发现以来，就引起了研究人员的持续关注，当时的研究表明两个不同物体在接触端温度不同时会产生电势差，这就是所谓的塞贝克（Seebeck）效应。温差发电技术的快速发展发展始于20世纪初，当时的研究突破了金属热电材料的限制，发现半导体热电材料在热电转化中具有更加优良的特性，这就决定了半导体材料在温差发电中有着不可替代的地位，使得温差发电技术的发展迈上了一个新的台阶。温差发电与其他发电系统相比具有无任何附加机械运动部件、可工作的温度范围广、体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、安全无污染等诸多优点，因而展现出良好的应用前景。 

目前高超声速飞行器绝大多数热防护系统的设计都将气动热和燃烧室壁的传热作为废热处理，采用防热、隔热的方式阻止热量的传递，而通过在高超声速飞行器中引入温差发电技术，可以充分利用上述热量，更加有效地实现飞行器的能量综合利用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种能够对飞行器工作过程中高速来流产生的气动热和发动机燃烧室的传热进行回收再利用，实现对飞行器进行有效地热管理和实现能量的综合利用以提高总的能量利用效率，有利于实现飞行器电源的小型化和轻量化，与飞行器热防护系统的有机结合，集成化程度高的基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置。 

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 

一种基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置，包括稳压充电电路、蓄电池、变压供电电路和至少一个热电转换模块，所述热电转换模块呈板状且装设于飞行器的表面，所述热电转换模块分别通过稳压充电电路与蓄电池相连，且所述蓄电池通过变压供电电路为飞行器上的负载供电。

优选地，所述热电转换模块包括多个热电发电单元，所述热电发电单元包括P型热电转换材料单元、N型热电转换材料单元和导电片，所述P型热电转换材料单元、N型热电转换材料单元均相对飞行器的热源垂直布置，所述P型热电转换材料单元和N型热电转换材料单元之间通过导电片相连，且所述多个热电发电单元之间通过导电片串联、或者并联、或者串联和并联混合的方式连接组合构成热电转换模块。 

优选地，所述热电转换模块还包括上面板、下面板和支撑骨架，所述上面板通过支撑骨架和下面板相连，所述下面板与飞行器的机体相连，所述多个热电发电单元设于上面板、下面板之间，且所述P型热电转换材料单元、N型热电转换材料单元均紧贴上面板布置。 

优选地，所述上面板、下面板之间填充有隔热体，所述P型热电转换材料单元、N型热电转换材料单元均插设于隔热体内且与下面板间隙布置。 

优选地，所述上面板为蜂窝夹芯板。 

优选地，所述下面板为蜂窝夹芯板。 

优选地，构成所述上面板的蜂窝夹芯板采用超耐热镍基合金制成。 

优选地，构成所述下面板的蜂窝夹芯板采用钛合金制成。 

优选地，所述稳压充电电路包括比较放大器、脉宽调制器、驱动器、DC/DC转换器、基准电压源和两个控制电阻，所述比较放大器的输出端依次通过脉宽调制器、驱动器和DC/DC转换器的控制端相连，所述热电转换模块的正极输出端通过DC/DC转换器与蓄电池的正极相连，所述蓄电池的负极和热电转换模块的负极输出端相连，所述两个控制电阻串联后连接于热电转换模块的正极输出端和接地端之间，所述比较放大器的一个输入端与基准电压源相连，所述比较放大器的另一个输入端连接于所述两个控制电阻之间。 

优选地，所述变压供电电路包括高频逆变器、高频升压变压器和整流滤波器，所述高频逆变器、高频升压变压器和整流滤波器依次串联，所述高频逆变器与蓄电池相连，所述整流滤波器与飞行器上的负载相连。 

本发明基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置具有下述优点： 

1. 本发明包括稳压充电电路2、蓄电池3、变压供电电路4和至少一个热电转换模块1，热电转换模块1分别通过稳压充电电路2与蓄电池3相连，且蓄电池3通过变压供电电路4为飞行器上的负载供电，热电转换模块1基于热电转换技术对飞行器工作过程中高速来流产生的气动热和发动机燃烧室的传热进行回收再利用，可以对飞行器进行有效地热管理和实现能量的综合利用，提高总的能量利用效率，同时对实现飞行器电源的小型化和轻量化具有重要意义。

2. 本发明的热电转换模块1呈板状且装设于飞行器的表面，因此实现了对金属热防护和热电转换结构进行一体化设计，能够更好地实现了热电转换材料与飞行器热防护系统的有机结合，体现了高度集成化的思想，热电转换模块1同时具有温差发电、防/隔热和承力三项功能，能够在一定程度上缓解飞行器热防护的压力，为高超声速飞行器热防护系统的设计开辟了一条新的思路。 

附图说明

图1为本发明实施例的原理结构示意图。 

图2为本发明实施例中热电发电单元的剖视结构示意图。 

图3为本发明实施例中多个热电发电单元的连接立体结构示意图。 

图4为本发明实施例中热电转换模块后端的电路原理示意图。 

图例说明：1、热电转换模块；11、热电发电单元；111、P型热电转换材料单元；112、N型热电转换材料单元；113、导电片；12、上面板；13、下面板；14、支撑骨架；15、隔热体；2、稳压充电电路；21、控制电阻；22、基准电压源；23、比较放大器；24、脉宽调制器；25、驱动器；26、DC/DC转换器；3、蓄电池；4、变压供电电路；41、高频逆变器；42、高频升压变压器；43、整流滤波器。 

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置包括稳压充电电路2、蓄电池3、变压供电电路4和至少一个热电转换模块1，热电转换模块1呈板状且装设于飞行器的表面，热电转换模块1分别通过稳压充电电路2与蓄电池3相连，且蓄电池3通过变压供电电路4为飞行器上的负载供电。本实施例在运行时，飞行器的高速来流产生的气动热以及发动机燃烧室的传热在经过热电转换模块1后可以部分转化为电能，其输出电动势的大小会随外部加热功率的大小而变化，针对热电转换模块1输出电动势的不稳定的问题，通过稳压充电电路2进行调节，使得输出电动势的大小能够保持稳定并位于蓄电池3的充电电压范围内，从而对蓄电池3稳定供电，蓄电池3的存在可以更好地实现能量的管控，在外部加热功率较大时进行能量的回收，在飞行器需要用电时输出电能进行能量的再利用；而且由于飞行器中各个负载的额定电压并不相同，因此需要在蓄电池3后增加变压供电电路4，通过变压供电电路4对电压大小进行调节转化为高品质电能，可以同时对飞行器上的多个负载进行高品质供电，基于能量守恒和转换的思想，能够将飞行器表面的气动热和发动机燃烧室壁的传热通过热电转换技术进行回收再利用，从而对飞行器进行有效地热管理和实现能量的综合利用；同时，热电转换模块1呈板状且装设于飞行器的表面，具体可以布置于飞行器头部、机翼前缘、尾翼等气动加热严重的地方，以及发动机燃烧室、补燃室壁面等热量集中处，既可以利用气动加热和燃烧室传热进行温差发电，而且还能够对飞行器起到防/隔热和承力的功能，同时具有温差发电、防/隔热和承力三项功能，在对飞行器进行有效地热管理实现了能量的综合利用，对实现飞行器电源系统的小型化和轻量化具有重要意义，并且通过对金属热防护和热电转换结构进行一体化设计，为飞行器的高超声速热防护系统的设计开辟了新的思路。 

如图2所示，热电转换模块1包括多个热电发电单元11，热电发电单元11包括P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112和导电片113，P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112均相对飞行器的热源（飞行器的表面或者燃烧室等）垂直布置，P型热电转换材料单元111和N型热电转换材料单元112之间通过导电片113相连。P型热电转换材料单元111中空穴为多子，自由电子为少子，导电的载流子主要是空穴；N型热电转换材料单元112中空穴为少子，自由电子为多子，导电的载流子主要是自由电子。对于两端尚未建立起温差的材料，其载流子为均匀分布。由于P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112均相对飞行器的热源垂直布置，因此飞行器飞行时会使得飞行器表面和燃烧室发热，从而可使P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112的两端形成温度梯度（即使得两端之间存在温差），一旦温度梯度建立后，处于热端的载流子就具有较大的动能，趋于向冷端扩散并在冷端堆积，使得冷端的载流子数目多于热端。这种电荷的堆积将使材料内的电中性遭到破坏，电荷在冷端的堆积导致在材料内建立一个自建电场，以阻止热端载流子向冷端的进一步扩散，当载流子的运动达到平衡时，材料内无净电荷的定向移动，此时在材料两端形成的电势差就是Seebeck电势。对于P型热电转换材料单元111而言，空穴作为载流子将在冷端堆积，使得冷端带有正电荷；对于N型热电转换材料单元112而言，自由电子作为载流子将在冷端堆积，使得冷端带有负电荷，从而使得P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112用导电片113连接后即可构成温差发电机输出电能。本实施例中，P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112所使用的热电转换材料可以根据需要采用高温时ZT值较大的SiGe合金或NaCoO₄或梯度结构热电材料，只是制备时通过不同的制备方法分别得到P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112两种不同类型的热电转换材料单元；此外需要说明的是，也可以根据需要采用其它热电转换材料。 

如图2所示，热电转换模块1还包括上面板12、下面板13和支撑骨架14，上面板12通过支撑骨架14和下面板13相连，下面板13与飞行器的机体相连，多个热电发电单元11设于上面板12、下面板13之间，且P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112均紧贴上面板12布置。本实施例由于上面板12通过支撑骨架14和下面板13相连，下面板13与飞行器的机体相连，多个热电发电单元11设于上面板12、下面板13之间，使得多个热电发电单元11、上面板12、下面板13和支撑骨架14四者相连构成整个热电转换模块1的框架，从而能够确保结构的承力性能；由于P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112均紧贴上面板12布置，在飞行器飞行时上面板12吸收外部的热能而处于高温状态，从而能够确保P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112的两端具有较大的温差，从而能够提高P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112的发电性能。 

考虑到热能经过热电转换模块1后还有很大一部分未被吸收，因此本实施例中，上面板12、下面板13之间填充有隔热体15，P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112均插设于隔热体15内且与下面板13间隙布置。这样既可以在P型热电转换材料单元111、N型热电转换材料单元112的两端建立更大的温度梯度，又可以进一步阻止热能向飞行器的内部传入，更好地实现本实施例对飞行器的防/隔热性能，从而能够更好地保护飞行器。隔热体15使用的隔热材料可以选择密度低、导热系数小、比热容较大的材料，如目前使用较多的二氧化硅、氧化铝、Saffil隔热材料等。本实施例中，上面板12为蜂窝夹芯板，能够实现在保持较高力学性能的前提下减轻上面板12的结构质量；同理，下面板13为蜂窝夹芯板能够实现在保持较高力学性能的前提下减轻下面板13的结构质量。本实施例中，构成上面板12的蜂窝夹芯板采用超耐热镍基合金inconel617制成，该材料能够承受1000℃以上的高温，并且具有高温下的稳定性、抗氧化性和耐蚀性等优点；此外也可以根据需要采用其它类型的超耐热镍基合金；构成下面板13的蜂窝夹芯板采用钛合金制成，与机体热膨胀特性等相似，从而能够很好地实现与飞行器机体的连接，而且能够承受400℃~500℃的高温。此外，本实施例的支撑骨架14与上面板12一样，也采用超耐热镍基合金inconel617制成。 

如图3所示，本实施例的多个热电发电单元11之间采用先串联后并联的方式进行连接以提高整个热电转换模块1的电压和功率，参见图3，图3示意了9个热电发电单元11的结构，其中每3个热电发电单元11通过导电片113串联构成一组热电发电单元11，然后三组热电发电单元11之间通过导电片113并联连接。需要说明的是，多个热电发电单元11的数量可以根据需要进行设置，多个热电发电单元11之间可以根据需要通过导电片113串联、或者并联、或者串联和并联混合的方式连接组合构成热电转换模块1，热电发电单元11的数量以及热电发电单元11之间的连接方式和飞行器负载的供电需求以及飞行器的外形呈平面排布或曲面排布的结构具体相关，故在此不再赘述。 

如图4所示，稳压充电电路2包括比较放大器23、脉宽调制器24、驱动器25、DC/DC转换器26、基准电压源22和两个控制电阻21，比较放大器23的输出端依次通过脉宽调制器24、驱动器25和DC/DC转换器26的控制端相连，热电转换模块1的正极输出端通过DC/DC转换器26与蓄电池3的正极相连，蓄电池3的负极和热电转换模块1的负极输出端相连，两个控制电阻21串联后连接于热电转换模块1的正极输出端和接地端之间，比较放大器23的一个输入端与基准电压源22相连，比较放大器23的另一个输入端连接于两个控制电阻21之间，比较放大器23对输出电压、基准电压22进行比较后放大输出热电转换模块1的电压变化，再经过脉宽调制器24、驱动器25来改变输出电压的占空比，达到控制输出电压的目的。 

如图4所示，变压供电电路4包括高频逆变器41、高频升压变压器42和整流滤波器4，逆变器41、高频升压变压器42和整流滤波器43依次串联，高频逆变器41与蓄电池3相连，整流滤波器43与飞行器上的负载（例如飞行器上的等离子体合成射流激励器）相连。本实施例在工作状态时，蓄电池3输出的低压直流电通过高频逆变器41转换成高频交流电作为高频升压变压器42的初级输入电压，这种升压方式可以大大减小变压器以及后续整流滤波器的体积和质量；高频升压变压器42将交流电压升高到飞行器上的负载工作所需的高压，再经过整流滤波器43整流成纹波电压很小的直流高压，为飞行器上的负载供电，使得飞行器上的负载工作，例如使得飞行器上的等离子体合成射流激励器工作，以产生用于高超声速飞行器主动流动控制的等离子体高能合成射流。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。