倪含笑

摘 要：飛行器因其獨(dú)特的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，在進(jìn)行高速飛行時(shí)會(huì)在飛行器蒙皮表面產(chǎn)生均勻的氣流場(chǎng)分布，這既是為飛行器持續(xù)提供升力的根本，也是導(dǎo)致飛行器表面溫度過高的根源所在。本文將對(duì)飛行器表面熱流分布測(cè)試方法進(jìn)行研究，并據(jù)此提出相關(guān)的熱能利用的方案設(shè)想，以期能夠?yàn)槲覈?guó)的飛行器設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：飛行器;熱流分布測(cè)試;熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

一、飛行器熱流分布

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)為了能夠搶占空間戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)的制高點(diǎn)，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(shí)，會(huì)與飛行器周邊的大氣進(jìn)行劇烈的摩擦，產(chǎn)生巨大的熱量，從而影響到飛行器的結(jié)構(gòu)安全和壽命。如清楚的掌握飛行器表面的熱流分布和相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)如今的飛行器的開發(fā)和設(shè)計(jì)都有著及其重要的意義?，F(xiàn)如今，用于飛行器表面熱流測(cè)試的技術(shù)主要包括有基于傳感器的熱流測(cè)試技術(shù)與可以進(jìn)行大面積測(cè)量的熱圖技術(shù)兩大類;傳感器測(cè)試技術(shù)是世界上最早發(fā)展起來(lái)的飛行器熱流測(cè)試技術(shù)，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(yīng)用于如今的飛行器的熱流測(cè)量之中，這種技術(shù)的主要是根據(jù)金屬電阻會(huì)隨著溫度的變化而變化的特性進(jìn)行的，但也是因?yàn)檫@一特性，使得這種測(cè)試技術(shù)只能應(yīng)用于局部測(cè)量。而另一大類的熱圖測(cè)試技術(shù)，則是近些年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，其不是同傳感器測(cè)試技術(shù)那樣進(jìn)行局部的準(zhǔn)確測(cè)量，而是對(duì)整個(gè)二維平面的熱流分布進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。而這種技術(shù)則是基于光學(xué)測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)的，在一次實(shí)驗(yàn)過程中便可以得到全部測(cè)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(cè)試技術(shù)的地位，并被廣泛的應(yīng)用于如今的飛行器的熱流測(cè)試當(dāng)中。

二、熱能利用方案設(shè)想

（一）熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)概述

國(guó)內(nèi)外眾多與電能相關(guān)的領(lǐng)域都在對(duì)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期能夠?qū)⑹澜缟系凝嫶蟮臒崮軆?chǔ)備進(jìn)行完全利用。而當(dāng)前的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)主要分為直接轉(zhuǎn)換類與熱力循環(huán)類兩大類：其中直接轉(zhuǎn)換類，顧名思義，就是將熱能直接轉(zhuǎn)換成為電能，而熱力循環(huán)類則是通過先將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再利用機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)電。

（二）熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在飛行器上應(yīng)用方案設(shè)想

1.溫差發(fā)電技術(shù)

溫差發(fā)電技術(shù)是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)的一種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(lái)，飛行在在運(yùn)作之后，表面就會(huì)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(huì)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(huì)向低溫區(qū)域進(jìn)行熱傳導(dǎo)，再結(jié)合材料的特性，也使得電子也會(huì)進(jìn)行傳導(dǎo)，進(jìn)而形成電動(dòng)勢(shì)，以此來(lái)進(jìn)行溫差發(fā)電。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行串聯(lián)，然后就可以得到足夠的電能，從而實(shí)現(xiàn)熱能的再利用。

2.堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本原理是利用β"-Al2O3固體的電解質(zhì)的離子導(dǎo)電特性，用液態(tài)納作為工質(zhì)，以熱再生濃度差電池過程為工作原理的熱電能量直接轉(zhuǎn)換新技術(shù)。其關(guān)鍵的發(fā)電元器件就是堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器，而堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器則是一種面積型發(fā)電器件，其并沒有運(yùn)動(dòng)部件，所以也就沒有多余的噪聲產(chǎn)生，也同樣無(wú)需進(jìn)行維護(hù)。另外，堿金屬熱電轉(zhuǎn)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(jié)合，進(jìn)而構(gòu)成模塊組合式發(fā)電裝置。而飛行器在運(yùn)行時(shí)，溫度最高的部位可達(dá)到1800攝氏度，而溫度低的也有600攝氏度以上，所以在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，雖然那些溫度過高的部位無(wú)法應(yīng)用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，但低溫區(qū)域卻正好在這種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的工作區(qū)間，所以在飛行器中運(yùn)用還是非常適合的。

3.布雷頓發(fā)電技術(shù)

布雷頓發(fā)電技術(shù)如今世界上應(yīng)用的比較廣泛的一種循環(huán)發(fā)電技術(shù)，這種發(fā)電技術(shù)的在飛行器中的應(yīng)用工作流程如下：低溫低壓循環(huán)工質(zhì)在經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮成為高壓氣體以后，進(jìn)入到將要用于發(fā)電的發(fā)電機(jī)，而飛行器在運(yùn)行之后，外壁與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生熱能，熱能對(duì)高壓氣體進(jìn)行加熱，形成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體隨后進(jìn)入到渦輪之中進(jìn)行膨脹做功，以此來(lái)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并帶動(dòng)壓氣機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，發(fā)電機(jī)也就會(huì)產(chǎn)生電能。而做功過后的循環(huán)工質(zhì)的溫度和壓力都將急速降低，隨后循環(huán)工質(zhì)將進(jìn)入到低溫?fù)Q熱器之中，與溫度較低的熱源進(jìn)行溫度交換，使得循環(huán)工質(zhì)的溫度再次降低，而低溫?zé)嵩吹臏囟壬仙?，這個(gè)時(shí)候循環(huán)工質(zhì)在經(jīng)過低溫轉(zhuǎn)換器的冷卻以后就可以再次進(jìn)入到壓氣機(jī)當(dāng)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(shí)上就是將前面三種發(fā)電方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，以此來(lái)最大限度的利用其飛行器在運(yùn)行之后所產(chǎn)生的熱能。如溫差發(fā)電與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)用于低溫區(qū)域，而溫差發(fā)電技術(shù)用于高溫區(qū)域，以此來(lái)形成熱能最大限度利用的效果。

三、總結(jié)

綜上所述，雖然飛行器在進(jìn)行高速飛行時(shí)會(huì)與大氣進(jìn)行劇烈摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的熱能，為如今的飛行器的設(shè)計(jì)與開發(fā)都提供了一定的難題，但如果利用各種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)將這些熱能充分的利用起來(lái)，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(yīng)，所以利用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)對(duì)飛行器所產(chǎn)生的熱能實(shí)行再利用，在未來(lái)的飛行器設(shè)計(jì)和開發(fā)中還是有著較好的應(yīng)用前景的。

參考文獻(xiàn)：

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