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飞行器热流分布及热能利用方案设想

作者:未知

  摘 要:飞行器因其独特的气动外形设计,在进行高速飞行时会在飞行器蒙皮表面产生均匀的气流场分布,这既是为飞行器持续提供升力的根本,也是导致飞行器表面温度过高的根源所在。本文将对飞行器表面热流分布测试方法进行研究,并据此提出相关的热能利用的方案设想,以期能够为我国的飞行器设计与开发提供理論依据。
  关键词:飞行器;热流分布测试;热电转换技术
  一、飞行器热流分布
  近半个世纪以来,世界各国为了能够抢占空间战略优势的制高点,纷纷开展了一系列的飞行器的研究工作,但飞行器在大气层内飞行时,会与飞行器周边的大气进行剧烈的摩擦,产生巨大的热量,从而影响到飞行器的结构安全和寿命。如清楚的掌握飞行器表面的热流分布和相关的数据对如今的飞行器的开发和设计都有着及其重要的意义。现如今,用于飞行器表面热流测试的技术主要包括有基于传感器的热流测试技术与可以进行大面积测量的热图技术两大类;传感器测试技术是世界上最早发展起来的飞行器热流测试技术,也正是因其发展的比较早,所有在如今已经被广泛的应用于如今的飞行器的热流测量之中,这种技术的主要是根据金属电阻会随着温度的变化而变化的特性进行的,但也是因为这一特性,使得这种测试技术只能应用于局部测量。而另一大类的热图测试技术,则是近些年来才发展起来的新兴技术,其不是同传感器测试技术那样进行局部的准确测量,而是对整个二维平面的热流分布进行同时测量。而这种技术则是基于光学测量技术为基础进行开发的,在一次实验过程中便可以得到全部测试位置的热流分布,所以在如今也正在逐步取代传感器热流测试技术的地位,并被广泛的应用于如今的飞行器的热流测试当中。
  二、热能利用方案设想
  (一)热电转换技术概述
  国内外众多与电能相关的领域都在对热电转换技术进行深入研究,以期能够将世界上的庞大的热能储备进行完全利用。而当前的热电转换技术主要分为直接转换类与热力循环类两大类:其中直接转换类,顾名思义,就是将热能直接转换成为电能,而热力循环类则是通过先将热能转化为机械能,再利用机械能带动发电机来进行发电。
  (二)热电转换技术在飞行器上应用方案设想
  1.温差发电技术
  温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应的一种热电转换技术,其主要是将空穴材料与电子材料的一端相连,然后将相连的部位置于飞行器热能分布比较突出的位置,而两种材料的另一端则是置于低温区域。这样一来,飞行在在运作之后,表面就会产生高温,而空穴材料与电子材料相连处部位自然也就会随之升温,然而两种材料的另一端却置于低温区域,使得另一端的温度还保持在常态,这样高温区域的温度就会向低温区域进行热传导,再结合材料的特性,也使得电子也会进行传导,进而形成电动势,以此来进行温差发电。当然在实际应用中,一组材料所能够产生的电能是很小的,但可以将分舵主材料进行串联,然后就可以得到足够的电能,从而实现热能的再利用。
  2.碱金属热电转换技术
  碱金属热电转换技术的基本原理是利用β"-Al2O3固体的电解质的离子导电特性,用液态纳作为工质,以热再生浓度差电池过程为工作原理的热电能量直接转换新技术。其关键的发电元器件就是碱金属热电转换器,而碱金属热电转换器则是一种面积型发电器件,其并没有运动部件,所以也就没有多余的噪声产生,也同样无需进行维护。另外,碱金属热电转换器可以和温度在600摄氏度至900摄氏度自己的任何形式的热源相结合,进而构成模块组合式发电装置。而飞行器在运行时,温度最高的部位可达到1800摄氏度,而温度低的也有600摄氏度以上,所以在实际应用当中,虽然那些温度过高的部位无法应用碱金属热电转换技术,但低温区域却正好在这种热电转换技术的工作区间,所以在飞行器中运用还是非常适合的。
  3.布雷顿发电技术
  布雷顿发电技术如今世界上应用的比较广泛的一种循环发电技术,这种发电技术的在飞行器中的应用工作流程如下:低温低压循环工质在经过压气机压缩成为高压气体以后,进入到将要用于发电的发电机,而飞行器在运行之后,外壁与大气剧烈摩擦产生热能,热能对高压气体进行加热,形成高温高压气体,高温高压气体随后进入到涡轮之中进行膨胀做功,以此来将热能转化为机械能并带动压气机与发电机进行工作,发电机也就会产生电能。而做功过后的循环工质的温度和压力都将急速降低,随后循环工质将进入到低温换热器之中,与温度较低的热源进行温度交换,使得循环工质的温度再次降低,而低温热源的温度上升,这个时候循环工质在经过低温转换器的冷却以后就可以再次进入到压气机当中开始下一轮的循环发电了。
  4.联合发电
  联合发电事实上就是将前面三种发电方法进行有机的结合,以此来最大限度的利用其飞行器在运行之后所产生的热能。如温差发电与碱金属热电转换技术相结合,碱金属热电转换技术用于低温区域,而温差发电技术用于高温区域,以此来形成热能最大限度利用的效果。
  三、总结
  综上所述,虽然飞行器在进行高速飞行时会与大气进行剧烈摩擦,进而产生巨大的热能,为如今的飞行器的设计与开发都提供了一定的难题,但如果利用各种热电转换技术将这些热能充分的利用起来,便可以起到“废物利用”的作用,为飞行器提供更多的能源供应,所以利用热电转换技术来对飞行器所产生的热能实行再利用,在未来的飞行器设计和开发中还是有着较好的应用前景的。
  参考文献:
  [1]陈雄昕,刘卫华,罗智胜,等.高超声速飞行器气动热研究进展.航空兵器,2014(6).
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