基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统，本发明专利技术涉及一种基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统。本发明专利技术是为了解决当前高超声速飞行燃料热沉不足、易结焦积碳的问题，该系统包括电磁泵、碱金属-燃料换热器、碱金属工质通道、燃料管道、多孔薄膜电极、β”氧化铝固体电解质层、第一导线、第二导线、负载和阳极。本实施例将冷却系统和发电系统合二为一，降低了结构质量，减小了质量惩罚；碱金属工质导热性好，能有效保证燃烧室壁面材料处于许用温度下；减少了对燃料热沉的需求，降低了燃料需用量和最高温度，减轻燃料重量并降低碳氢燃料发生结焦积碳的可能性。本发明专利技术应用于高超声速飞行器冷却/发电系统领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统。
技术介绍
高超声速飞行器在高飞行马赫数下长时间飞行会大大增加机体前缘与燃烧室内热流密度，使得热防护问题成为高超声速飞行的关键技术之一。同时，对于长航时的高超声速飞行器，单一的电池已经无法满足供电需求，必须引入一种能够持续发电的供电系统。极高的来流总温和可能的超声速燃烧导致高超声速飞行器前缘和发动机燃烧室承受非常高的热载荷。对于长航时所必需的主动冷却热防护方案，有限的金属壁面材料许用温度导致需要冷却剂带走的热流水平很高。研究表明，当前的碳氢燃料难以满足马赫数6以上的热沉需求，这就使得高超声速飞行器需要携带额外的燃料用于冷却，产生严重的质量惩罚。同时，以碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却方案受到热流分布不均匀影响，高温下易发生结焦积碳导致冷却系统失效，还会造成燃料部分热沉的浪费。因此，燃料的热沉不足和结焦积碳限制了再生冷却在高超声速飞行器上的应用。对于长航时的高超声速飞行器，功率密度较低的化学电池难以满足供电需求，而采用常规的利用热机带动发电机的供电方式同样存在较多的问题。一方面，对于吸气式高超声速飞行不可或缺的超燃冲压发动机不具备轴功的输出条件，需要额外的旋转式热机，这必然导致较大的质量惩罚；另一方面，包括发电机在内的高速旋转部件需要独立的支撑结构和滑油系统，进而造成系统复杂性的提高和可靠性的下降。因此，为了解决长航时高超声速飞行的热防护与供电问题，研制一种能够以较小的质量惩罚实现高效率、高可靠性的热防护与发电性能的冷却/发电系统具有很高的研究价值与广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决当前高超声速飞行燃料热沉不足、易结焦积碳的问题，提供一种基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统。本专利技术基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统，包括电磁栗、碱金属-燃料换热器、碱金属工质通道、燃料管道、多孔薄膜电极、矿氧化铝固体电解质层、第一导线、第二导线、负载和阳极;碱金属工质通道与碱金属-燃料换热器连通构成回路，碱金属工质通道电磁栗连通，碱金属工质通道被矿氧化铝固体电解质层分成液态腔和气态腔，β”氧化铝固体电解质层位于气态腔一侧的端面上覆有多孔薄膜电极作为阴极，位于液态腔一侧的端面上覆有阳极;液态腔内装有液态碱金属工质，气态腔内装有气态碱金属工质；第一导线连接负载的正极，另一端连接多孔薄膜电极;第二导线连接负载的负极，另一端连接阳极;燃料管穿过碱金属-燃料换热器，燃料管道通有燃料。液态碱金属工质在高压侧的碱金属工质通道内吸收高温空气或燃气传入飞行器机体壁面的热量，通过矿氧化铝固体电解质层(BASE)将部分热能转换为电能并由多孔薄膜电极、阳极和导线导出。BASE只允许碱金属阳离子通过，电子利用阳极和导线经由负载传递至阴极，与阳离子重新组合成金属原子并以气态形式从多孔电极脱落至低压区。气态碱金属工质在碱金属-燃料换热器中通过将热量传递至燃料管道内的燃料而恢复成液态，并由电磁栗增压后重新进入碱金属工质通道。本专利技术的优点包括:1、将冷却系统和发电系统合二为一，降低了结构质量，减小了质量惩罚；2、系统结构简单，无旋转部件，振动小、可靠性高；3、碱金属工质导热性好，能够有效保证燃烧室壁面材料处于许用温度下；4、燃料只作为碱金属工质的冷却剂而不需要吸收全部导入壁面的热量，减少了对燃料热沉的需求，降低了燃料需用量和最高温度，从而减轻燃料重量并降低碳氢燃料发生结焦积碳的可能性；5、采用常温下为液态的Na-K合金作为碱金属工质，系统起动时无需提前加热工质，从而降低系统的复杂性和重量，满足高飞行马赫数、长航时和大范围变工况的高超声速飞行器的热防护与供电需求。【附图说明】图1为本专利技术的系统结构示意图。【具体实施方式】【具体实施方式】一:本实施方式基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统包括:电磁栗1、碱金属-燃料换热器2、碱金属工质通道3、燃料管道4、多孔薄膜电极5、β”氧化铝固体电解质层6、第一导线7-1、第二导线7-2、负载8和阳极11;碱金属工质通道3与碱金属-燃料换热器2连通构成回路，碱金属工质通道3与电磁栗I连通，碱金属工质通道3被β”氧化铝固体电解质层6分成液态腔9和气态腔10，β”氧化铝固体电解质层6位于气态腔10—侧的端面上覆有多孔薄膜电极5作为阴极，位于液态腔9 一侧的端面上覆有阳极11;液态腔9内装有液态碱金属工质，气态腔10内装有气态碱金属工质;第一导线7-1连接负载8的正极，另一端连接多孔薄膜电极5;第二导线7-2连接负载8的负极，另一端连接阳极11;燃料管道4穿过碱金属-燃料换热器2，燃料管道4通有燃料。本实施方式的优点包括:1、将冷却系统和发电系统合二为一，降低了结构质量，减小了质量惩罚；2、系统结构简单，无旋转部件，振动小、可靠性高；3、碱金属工质导热性好，能够有效保证燃烧室壁面材料处于许用温度下；4、燃料只作为碱金属工质的冷却剂而不需要吸收全部导入壁面的热量，减少了对燃料热沉的需求，降低了燃料需用量和最高温度，从而减轻燃料重量并降低碳氢燃料发生结焦积碳的可能性；5、采用常温下为液态的Na-K合金作为碱金属工质，系统起动时无需提前加热工质，从而降低系统的复杂性和重量，满足高飞行马赫数、长航时和大范围变工况的高超声速飞行器的热防护与供电需求。【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述的碱金属工质为Na-K合金。其它与【具体实施方式】一相同。【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:该系统的热源为传入飞行器机体或发动机壁面的热当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于碱金属热电直接转换的高超声速飞行器冷却/发电系统，其特征在于该系统包括：电磁泵(1)、碱金属‑燃料换热器(2)、碱金属工质通道(3)、燃料管道(4)、多孔薄膜电极(5)、β”氧化铝固体电解质层(6)、第一导线(7‑1)、第二导线(7‑2)、负载(8)和阳极(11)；碱金属工质通道(3)与碱金属‑燃料换热器(2)连通构成回路，碱金属工质通道(3)与电磁泵(1)连通，碱金属工质通道(3)被β”氧化铝固体电解质层(6)分成液态腔(9)和气态腔(10)，β”氧化铝固体电解质层(6)位于气态腔(10)一侧的端面上覆有多孔薄膜电极(5)作为阴极，位于液态腔(9)一侧的端面上覆有阳极(11)；液态腔(9)内装有液态碱金属工质，气态腔(10)内装有气态碱金属工质；第一导线(7‑1)连接负载(8)的正极，另一端连接多孔薄膜电极(5)；第二导线(7‑2)连接负载(8)的负极，另一端连接阳极(11)；燃料管道(4)穿过碱金属‑燃料换热器(2)，燃料管道(4)通有燃料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：秦江，程昆林，鲍文，张铎，常军涛，于达仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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