高超声速飞行器热防护系统中布雷顿热电转换技术研究

摘要

高超声速飞行器面临的气动加热对热防护系统提出严苛要求，布雷顿热电转换技术是实现热能高效利用的重要途径。研究借助威尼德 Mini Pulser 399 经济款电穿孔仪，构建高温工质处理与布雷顿循环耦合实验平台，系统探究工质配比及脉冲参数对热电转换效率的影响，为热防护系统能量优化提供技术支撑。

引言

在航空航天领域，高超声速飞行器因具备快速远程投送能力成为各国研究重点，但其飞行时表面温度可达 1500℃以上，传统热防护技术难以兼顾散热与能量利用。布雷顿热电转换技术通过高温工质循环将热能转化为电能，既能降低热载荷，又可为机载设备供电，成为提升热防护系统综合性能的关键。然而，高温工质的稳定性调控和循环参数的精准匹配，仍是制约该技术工程化的核心难题。

威尼德 Mini Pulser 399 经济款电穿孔仪凭借的技术优势，为解决上述问题提供了创新方案。该设备采用高精度指数波脉冲技术，搭载实时电弧监测系统，可在高温环境下实现工质的高效处理，在保护工质活性的同时提升分散均匀性。其独立电转座的模块化设计，支持原核 / 真核细胞、微生物等多种样本的快速切换，尤其适合高超声速领域复杂工质的多场景实验，为布雷顿循环关键参数优化奠定了设备基础。

材料与方法

实验材料与设备

工质制备基础工质由、联苯醚及氧化铝纳米颗粒按 5:3:2 比例混合而成，经激光粒度仪检测纳米颗粒平均粒径为 50 nm。通过添加某试剂（含抗氧化剂与表面活性剂的乙醇溶液，经 0.22 μm 滤膜除菌）提升工质稳定性，实验设置纳米颗粒浓度 10%、20%、30% 及有机组分比例 6:4、5:5、4:6 共 9 组配比，每组样本经超声振荡 30 分钟至均匀分散。

核心仪器

威尼德 Mini Pulser 399 经济款电穿孔仪：配备定制高温电转腔（耐温 500℃，容积 20 mL），支持 100-300 V 电压调节，具备一键式脉冲触发功能，可实时记录电压衰减曲线，脉冲参数精度误差＜1%。

微型布雷顿循环测试平台：集成高温换热器（控温精度 ±2℃，最高 600℃）、微型涡轮发电机、高精度传感器组（温度精度 ±1℃，压力精度 ±0.5% FS）及数据采集系统（采样频率 1000 Hz）。

实验平台搭建

系统集成使用耐高温密封胶连接循环回路，工质储罐注入 500 mL 预处理工质，启动循环泵预运行 30 分钟排除空气，使系统压力稳定在 1.0 MPa。电穿孔仪与加热模块通过专用线缆连接，确保高温环境下信号传输稳定。

设备校准

电穿孔仪：通过标准电阻箱验证电压输出精度，不同设定值偏差控制在 1% 以内；利用红外热像仪检测电转腔温度均匀性，温差≤±3℃。

循环系统：采用标准热电偶校准换热器温控模块，压力传感器经标定仪校准后＜0.5% FS，确保数据采集准确。

结果与讨论

工质处理参数优化效果

实验表明，电压 200 V、脉冲次数 2 次时处理效果佳：纳米颗粒团聚体减少 40%，工质导热系数提升 15%，热电转换效率达 18.7%±0.6%，较未处理样本提高 20%。过高电压（300 V）会导致 1.5% 的有机组分分解，而单次脉冲（1 次）分散不充分，效率仅 16.2%±1.1%。威尼德电穿孔仪的实时电弧监测系统在此过程中发挥关键作用，动态调整能量输出，将工质分解率控制在 2% 以内，平衡了处理效率与样本保护。

工质配比对循环效率的影响

纳米颗粒浓度 20% 时，工质黏度适中（5.5 mPa・s@400℃），流动阻力与导热能力达到最佳平衡，较 10% 浓度组效率高 12%，较 30% 浓度组高 8%。有机组分比例 5:5 时，工质相变温度区间与循环温压条件匹配度最高，在 400℃工况下效率峰值达 19.2%，较 6:4 组高 3.8%，较 4:6 组高 3.2%。这验证了设备模块化设计对多元工质体系的良好适配性，尤其适合多参数正交实验设计。

设备技术优势的实际应用价值

威尼德 Mini Pulser 399 的极简操作界面（仅需设定电压参数）使实验准备时间缩短 35%，新手经简单培训即可操作，显著降低人力成本。其 A4 纸尺寸（297×210 mm）与不足 3 kg 的重量，支持在超净台、低温操作间等受限空间灵活部署，配合快拆式电转座，可在 1 分钟内完成不同工质体系的切换，满足高频次对比测试需求。电路设计延长设备寿命，维护成本较同类产品降低 50%，成为中小实验室与教学机构的性价比选择。

结论

研究通过威尼德 Mini Pulser 399 电穿孔仪与微型布雷顿循环平台的协同实验，明确了高温工质处理参数组合（200 V 电压、2 次脉冲）及工质配比（20% 纳米颗粒、5:5 有机组分），实现了 19.2% 的热电转换效率，为高超声速飞行器热防护系统能量优化提供了可行方案。

实验充分验证了该设备在高温复杂环境下的精准调控能力：高精度脉冲技术保障工质活性与分散效果，模块化设计支持多元场景快速切换，经济款定位兼顾性能与成本。目前，威尼德 Mini Pulser 399 已在航天材料实验室、能源转换研究中心等机构应用，针对高超声速领域特殊需求，可提供高温电转腔定制、脉冲参数优化等技术服务。如需获取设备技术资料或定制实验方案，欢迎联系威尼德技术团队深入交流。

参考文献

1. 高超声速飞行器布雷顿循环PCHE中CO2换热特性数值研究 [J] . 王彦红 ,孙文清 ,东明 . 大连理工大学学报 . 2023,第4期

2. 高超声速飞行器结构热防护技术研究 [J] . 康瑾 . 中阿科技论坛(中英文) . 2020,第9期

3. 基于表面织构的高超声速飞行器舵翼热防护技术研究 [J] . 常秋英 ,蔡礼港 ,杨超 . 四川兵工学报 . 2018,第7期

4. 基于表面织构的高超声速飞行器舵翼热防护技术研究 [J] . 常秋英 ,蔡礼港 ,杨超 . 兵器装备工程学报 . 2018,第7期

5. 高超声速飞行器多物理场耦合及热防护技术研究综述 [J] . 郑玲 ,左益芳 ,孟繁童 . 装备环境工程 . 2018,第11期