飛行器熱流分布及熱能利用方案設想

倪含笑

摘 要：飛行器因其獨特的氣動外形設計，在進行高速飛行時會在飛行器蒙皮表面產(chǎn)生均勻的氣流場分布，這既是為飛行器持續(xù)提供升力的根本，也是導致飛行器表面溫度過高的根源所在。本文將對飛行器表面熱流分布測試方法進行研究，并據(jù)此提出相關的熱能利用的方案設想，以期能夠為我國的飛行器設計與開發(fā)提供理論依據(jù)。

關鍵詞：飛行器;熱流分布測試;熱電轉換技術

一、飛行器熱流分布

近半個世紀以來，世界各國為了能夠搶占空間戰(zhàn)略優(yōu)勢的制高點，紛紛開展了一系列的飛行器的研究工作，但飛行器在大氣層內(nèi)飛行時，會與飛行器周邊的大氣進行劇烈的摩擦，產(chǎn)生巨大的熱量，從而影響到飛行器的結構安全和壽命。如清楚的掌握飛行器表面的熱流分布和相關的數(shù)據(jù)對如今的飛行器的開發(fā)和設計都有著及其重要的意義?，F(xiàn)如今，用于飛行器表面熱流測試的技術主要包括有基于傳感器的熱流測試技術與可以進行大面積測量的熱圖技術兩大類;傳感器測試技術是世界上最早發(fā)展起來的飛行器熱流測試技術，也正是因其發(fā)展的比較早，所有在如今已經(jīng)被廣泛的應用于如今的飛行器的熱流測量之中，這種技術的主要是根據(jù)金屬電阻會隨著溫度的變化而變化的特性進行的，但也是因為這一特性，使得這種測試技術只能應用于局部測量。而另一大類的熱圖測試技術，則是近些年來才發(fā)展起來的新興技術，其不是同傳感器測試技術那樣進行局部的準確測量，而是對整個二維平面的熱流分布進行同時測量。而這種技術則是基于光學測量技術為基礎進行開發(fā)的，在一次實驗過程中便可以得到全部測試位置的熱流分布，所以在如今也正在逐步取代傳感器熱流測試技術的地位，并被廣泛的應用于如今的飛行器的熱流測試當中。

二、熱能利用方案設想

（一）熱電轉換技術概述

國內(nèi)外眾多與電能相關的領域都在對熱電轉換技術進行深入研究，以期能夠將世界上的龐大的熱能儲備進行完全利用。而當前的熱電轉換技術主要分為直接轉換類與熱力循環(huán)類兩大類：其中直接轉換類，顧名思義，就是將熱能直接轉換成為電能，而熱力循環(huán)類則是通過先將熱能轉化為機械能，再利用機械能帶動發(fā)電機來進行發(fā)電。

（二）熱電轉換技術在飛行器上應用方案設想

1.溫差發(fā)電技術

溫差發(fā)電技術是基于熱電材料的塞貝克效應的一種熱電轉換技術，其主要是將空穴材料與電子材料的一端相連，然后將相連的部位置于飛行器熱能分布比較突出的位置，而兩種材料的另一端則是置于低溫區(qū)域。這樣一來，飛行在在運作之后，表面就會產(chǎn)生高溫，而空穴材料與電子材料相連處部位自然也就會隨之升溫，然而兩種材料的另一端卻置于低溫區(qū)域，使得另一端的溫度還保持在常態(tài)，這樣高溫區(qū)域的溫度就會向低溫區(qū)域進行熱傳導，再結合材料的特性，也使得電子也會進行傳導，進而形成電動勢，以此來進行溫差發(fā)電。當然在實際應用中，一組材料所能夠產(chǎn)生的電能是很小的，但可以將分舵主材料進行串聯(lián)，然后就可以得到足夠的電能，從而實現(xiàn)熱能的再利用。

2.堿金屬熱電轉換技術

堿金屬熱電轉換技術的基本原理是利用β"-Al2O3固體的電解質的離子導電特性，用液態(tài)納作為工質，以熱再生濃度差電池過程為工作原理的熱電能量直接轉換新技術。其關鍵的發(fā)電元器件就是堿金屬熱電轉換器，而堿金屬熱電轉換器則是一種面積型發(fā)電器件，其并沒有運動部件，所以也就沒有多余的噪聲產(chǎn)生，也同樣無需進行維護。另外，堿金屬熱電轉換器可以和溫度在600攝氏度至900攝氏度自己的任何形式的熱源相結合，進而構成模塊組合式發(fā)電裝置。而飛行器在運行時，溫度最高的部位可達到1800攝氏度，而溫度低的也有600攝氏度以上，所以在實際應用當中，雖然那些溫度過高的部位無法應用堿金屬熱電轉換技術，但低溫區(qū)域卻正好在這種熱電轉換技術的工作區(qū)間，所以在飛行器中運用還是非常適合的。

3.布雷頓發(fā)電技術

布雷頓發(fā)電技術如今世界上應用的比較廣泛的一種循環(huán)發(fā)電技術，這種發(fā)電技術的在飛行器中的應用工作流程如下：低溫低壓循環(huán)工質在經(jīng)過壓氣機壓縮成為高壓氣體以后，進入到將要用于發(fā)電的發(fā)電機，而飛行器在運行之后，外壁與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生熱能，熱能對高壓氣體進行加熱，形成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體隨后進入到渦輪之中進行膨脹做功，以此來將熱能轉化為機械能并帶動壓氣機與發(fā)電機進行工作，發(fā)電機也就會產(chǎn)生電能。而做功過后的循環(huán)工質的溫度和壓力都將急速降低，隨后循環(huán)工質將進入到低溫換熱器之中，與溫度較低的熱源進行溫度交換，使得循環(huán)工質的溫度再次降低，而低溫熱源的溫度上升，這個時候循環(huán)工質在經(jīng)過低溫轉換器的冷卻以后就可以再次進入到壓氣機當中開始下一輪的循環(huán)發(fā)電了。

4.聯(lián)合發(fā)電

聯(lián)合發(fā)電事實上就是將前面三種發(fā)電方法進行有機的結合，以此來最大限度的利用其飛行器在運行之后所產(chǎn)生的熱能。如溫差發(fā)電與堿金屬熱電轉換技術相結合，堿金屬熱電轉換技術用于低溫區(qū)域，而溫差發(fā)電技術用于高溫區(qū)域，以此來形成熱能最大限度利用的效果。

三、總結

綜上所述，雖然飛行器在進行高速飛行時會與大氣進行劇烈摩擦，進而產(chǎn)生巨大的熱能，為如今的飛行器的設計與開發(fā)都提供了一定的難題，但如果利用各種熱電轉換技術將這些熱能充分的利用起來，便可以起到“廢物利用”的作用，為飛行器提供更多的能源供應，所以利用熱電轉換技術來對飛行器所產(chǎn)生的熱能實行再利用，在未來的飛行器設計和開發(fā)中還是有著較好的應用前景的。

參考文獻：

[1]陳雄昕，劉衛(wèi)華，羅智勝，等.高超聲速飛行器氣動熱研究進展.航空兵器，2014（6）.