基于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換的高超聲速飛行器冷卻/發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換的高超聲速飛行器冷卻/發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速飛行器在高飛行馬赫數(shù)下長時間飛行會大大增加機體前緣與燃燒室內(nèi)熱流密度，使得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)。
[0003]極高的來流總溫和可能的超聲速燃燒導(dǎo)致高超聲速飛行器前緣和發(fā)動機燃燒室承受非常高的熱載荷。對于長航時所必需的主動冷卻熱防護方案，有限的金屬壁面材料許用溫度導(dǎo)致需要冷卻劑帶走的熱流水平很高。研究表明，當前的碳氫燃料難以滿足馬赫數(shù)6以上的熱沉需求，這就使得高超聲速飛行器需要攜帶額外的燃料用于冷卻，產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量懲罰。同時，以碳氫燃料作為冷卻劑的再生冷卻方案受到熱流分布不均勻影響，高溫下易發(fā)生結(jié)焦積碳導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失效，還會造成燃料部分熱沉的浪費。因此，燃料的熱沉不足和結(jié)焦積碳限制了再生冷卻在高超聲速飛行器上的應(yīng)用。
[0004]對于長航時的高超聲速飛行器，功率密度較低的化學(xué)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(dǎo)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(fù)雜性的提高和可靠性的下降。
[0005]因此，為了解決長航時高超聲速飛行的熱防護與供電問題，研制一種能夠以較小的質(zhì)量懲罰實現(xiàn)高效率、高可靠性的熱防護與發(fā)電性能的冷卻/發(fā)電系統(tǒng)具有很高的研究價值與廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決當前高超聲速飛行燃料熱沉不足、易結(jié)焦積碳的問題，提供一種基于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換的高超聲速飛行器冷卻/發(fā)電系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明基于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換的高超聲速飛行器冷卻/發(fā)電系統(tǒng)，包括電磁栗、堿金屬-燃料換熱器、堿金屬工質(zhì)通道、燃料管道、多孔薄膜電極、礦氧化鋁固體電解質(zhì)層、第一導(dǎo)線、第二導(dǎo)線、負載和陽極;堿金屬工質(zhì)通道與堿金屬-燃料換熱器連通構(gòu)成回路，堿金屬工質(zhì)通道電磁栗連通，堿金屬工質(zhì)通道被礦氧化鋁固體電解質(zhì)層分成液態(tài)腔和氣態(tài)腔，β”氧化鋁固體電解質(zhì)層位于氣態(tài)腔一側(cè)的端面上覆有多孔薄膜電極作為陰極，位于液態(tài)腔一側(cè)的端面上覆有陽極;液態(tài)腔內(nèi)裝有液態(tài)堿金屬工質(zhì)，氣態(tài)腔內(nèi)裝有氣態(tài)堿金屬工質(zhì)；第一導(dǎo)線連接負載的正極，另一端連接多孔薄膜電極;第二導(dǎo)線連接負載的負極，另一端連接陽極;燃料管穿過堿金屬-燃料換熱器，燃料管道通有燃料。
[0008]液態(tài)堿金屬工質(zhì)在高壓側(cè)的堿金屬工質(zhì)通道內(nèi)吸收高溫空氣或燃氣傳入飛行器機體壁面的熱量，通過礦氧化鋁固體電解質(zhì)層(BASE)將部分熱能轉(zhuǎn)換為電能并由多孔薄膜電極、陽極和導(dǎo)線導(dǎo)出。BASE只允許堿金屬陽離子通過，電子利用陽極和導(dǎo)線經(jīng)由負載傳遞至陰極，與陽離子重新組合成金屬原子并以氣態(tài)形式從多孔電極脫落至低壓區(qū)。氣態(tài)堿金屬工質(zhì)在堿金屬-燃料換熱器中通過將熱量傳遞至燃料管道內(nèi)的燃料而恢復(fù)成液態(tài)，并由電磁栗增壓后重新進入堿金屬工質(zhì)通道。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點包括:
[0010]1、將冷卻系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)合二為一，降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減小了質(zhì)量懲罰；
[0011]2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無旋轉(zhuǎn)部件，振動小、可靠性高；
[0012]3、堿金屬工質(zhì)導(dǎo)熱性好，能夠有效保證燃燒室壁面材料處于許用溫度下；
[0013]4、燃料只作為堿金屬工質(zhì)的冷卻劑而不需要吸收全部導(dǎo)入壁面的熱量，減少了對燃料熱沉的需求，降低了燃料需用量和最高溫度，從而減輕燃料重量并降低碳氫燃料發(fā)生結(jié)焦積碳的可能性；
[0014]5、采用常溫下為液態(tài)的Na-K合金作為堿金屬工質(zhì)，系統(tǒng)起動時無需提前加熱工質(zhì)，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，滿足高飛行馬赫數(shù)、長航時和大范圍變工況的高超聲速飛行器的熱防護與供電需求。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式基于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換的高超聲速飛行器冷卻/發(fā)電系統(tǒng)包括:電磁栗1、堿金屬-燃料換熱器2、堿金屬工質(zhì)通道3、燃料管道4、多孔薄膜電極5、β”氧化鋁固體電解質(zhì)層6、第一導(dǎo)線7-1、第二導(dǎo)線7-2、負載8和陽極11;堿金屬工質(zhì)通道3與堿金屬-燃料換熱器2連通構(gòu)成回路，堿金屬工質(zhì)通道3與電磁栗I連通，堿金屬工質(zhì)通道3被β”氧化鋁固體電解質(zhì)層6分成液態(tài)腔9和氣態(tài)腔10，β”氧化鋁固體電解質(zhì)層6位于氣態(tài)腔10—側(cè)的端面上覆有多孔薄膜電極5作為陰極，位于液態(tài)腔9 一側(cè)的端面上覆有陽極11;液態(tài)腔9內(nèi)裝有液態(tài)堿金屬工質(zhì)，氣態(tài)腔10內(nèi)裝有氣態(tài)堿金屬工質(zhì);第一導(dǎo)線7-1連接負載8的正極，另一端連接多孔薄膜電極5;第二導(dǎo)線7-2連接負載8的負極，另一端連接陽極11;燃料管道4穿過堿金屬-燃料換熱器2，燃料管道4通有燃料。
[0017]本實施方式的優(yōu)點包括:
[0018]1、將冷卻系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)合二為一，降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減小了質(zhì)量懲罰；
[0019]2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無旋轉(zhuǎn)部件，振動小、可靠性高；
[0020]3、堿金屬工質(zhì)導(dǎo)熱性好，能夠有效保證燃燒室壁面材料處于許用溫度下；
[0021]4、燃料只作為堿金屬工質(zhì)的冷卻劑而不需要吸收全部導(dǎo)入壁面的熱量，減少了對燃料熱沉的需求，降低了燃料需用量和最高溫度，從而減輕燃料重量并降低碳氫燃料發(fā)生結(jié)焦積碳的可能性；
[0022]5、采用常溫下為液態(tài)的Na-K合金作為堿金屬工質(zhì)，系統(tǒng)起動時無需提前加熱工質(zhì)，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，滿足高飛行馬赫數(shù)、長航時和大范圍變工況的高超聲速飛行器的熱防護與供電需求。
[0023]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的堿金屬工質(zhì)為Na-K合金。其它與【具體實施方式】一相同。
[0024]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:該系統(tǒng)的熱源為傳入飛行器機體或發(fā)動機壁面的熱