集成热电转换功能的新型热防护系统设计与分析

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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文（3）抗电磁辐射的热防护系统，将具有磁性的碳纳米管加入到热防护系统中，使热防护系统整体具有电磁屏蔽的能力，避免飞行器在飞行过程中因空间辐射而失效等。其中，集成热电转换功能的新型热防护系统可为未来飞行器电能供给提供有效设计方案。在高速飞行器外部热防护系统中集成热电转换功能，可将外部气动热转换为电能以供飞行器内部电气系统利用，同时不占用飞行器内部空间，减少了机载电源系统的携带，可能从根本上解决由于飞行器内部空间不足而导致传统弹载电池无法满足长时间工作电能需求的问题。未来的飞行器为了追求“全球精确打击”

2、的目标，提升情报、监视与侦查系统能力，必将面临长时间、机动飞行的挑战，飞行器至少飞行2小时，因此热电转换的能量必将是可观的。另外，通过合理的设计新型热防护系统结构，可兼顾防隔热、发电能力的基础上减轻系统整体重量。如图1-2所示，为热防护系统中集成热电功能结构的方案示意图。图1-2热电功能集成至热防护结构的理想方案本文围绕具有热电转换功能的热防护系统，首先针对热电结构，从热电转换原理推导、性能分析与实验验证等方面进行研究，明晰热电结构工作过程及其影响因素；接着针对集成热电转换功能的热防护系统，从结构设计、性能分析与评价、实验

3、验证等方面进行了研究，整体分析热防护系统在热-电-力多物理场下的结构响应、输出功率等。综合当前的材料、工艺基础与试验能力，以初步验证热电转换能力与冷端设计为目的，开展验证试验，为后续深入研究奠定基础。-2-哈尔滨工业大学硕士学位论文目前，公开文献中未曾见到将热电功能结构集成于热防护系统中的设计，因此，本文的研究工作将发掘热电功能结构在航天应用领域的设计潜力，为热电功能结构在飞行器热防护系统上的创新应用奠定基础，对新型多功能热防护系统的预研具有十分重要的意义。1.2新型热防护系统研究现状多功能材料与结构的设计需求极大地影响着

4、新材料与结构的发展，尤其是复合材料。反之，复合材料的广泛应用亦极大地影响着多功能材料与结构的设计需求。上世纪90年代以来，多功能材料与结构的研究在全球范围内蓬勃发[9]-[11]展，2000年以后，关于多功能材料与结构的研究大幅度稳步增长，越来越多的新型材料与结构问世，涉及航天、信息、能源、生物、医学等众多领域，已形成集功能和结构为一体的综合性学科。传统结构的设计方法中多是将承力功能与其他功能分开的，导致其他功能的非结构部分将对整体结构添加额外重量。近期，人们从生物系统中得到灵感，[12]着重开展多级承力材料与结构的研究。

5、ZuoqiZhang等观察到具有承力功能的生物材料，如贝壳、肌腱、骨头等，是由两到七层不同等级的材料（蛋白质与矿物质）构成的，每层材料性质都相对较弱，但整体结构的刚度却很大。基于此开展最优层次分布的承力生物材料的研究。为了对飞行器与结构进行快速无损的评估与检测，NASA近期开展了一系列关于结构健康监测系统的研究。结构健康监测系统主要指在发动机、燃料贮箱、结构连接面等飞行器结构关键部位放置传感网络系统，传感网络将压力信号转化为电信号传输到电脑中进行处理，以在线检测结构损伤。Stanford大学[13]-[14]Lin和Cha

6、ng针对其设计需求研制出SMART传感层，如图1-3（a）所示，使用印刷电路将压电传感器/驱动器连接成网络，形成了绝缘薄膜并嵌入碳纤维层合材料中，可安装在金属结构表面或嵌入到复合材料中，用于检测结构损伤、结构失效预警。结构创新性集成能量存储功能的研究也是近年来多功能结构设计的一大[15]-[16]应用。Thomas和Qidwai将锂离子电池材料集成在DARPAWasp微型无人机的碳/环氧机翼翼板中，如图1-3所示，使机翼兼具能量存储与结构的功能，同时减轻了整体重量，创造了微型飞行器的飞行记录。-3-哈尔滨工业大学硕士学位论

7、文（a）智能传感结构（b）集成电源的微型机翼图1-3多功能材料与结构应用如今，多功能材料与结构是一个交叉性、复合型的研究，需要跨越多个学科领域，主要包括力学、热学、材料科学和电学等。当前针对多功能材料与结构的研究更强调了：（1）结构功能的多样性；（2）结构/非结构性能间的跨学科融合。其中“结构功能”主要包括如强度、硬度、损伤容限、振动阻尼等力学性质，而“非结构功能”主要包括导电、传热、传感、驱动、能量收集/存储、自修复、电磁屏蔽、可回收与生物降解等。例如，某种多功能材料与结构可能是具有高强度、高刚度、高断裂韧性和高振动阻尼

8、的复合材料，也可能是具有自我修复、防/隔热、振动控制、能量收集/存储等功能的承力结构，更可能是上述二者的结合。随着复合材料及纳米技术的不断发展，多功能材料与结构的研究趋势更多地集中于承力结构的扩展功能研究。由于热防护系统对于结构效率要求的不断提高，在多功能结构与材料发展的洪流中，国内外也相应开展了多项关