高速飞行器上的用于冷却和发电的系统和方法与流程

本公开总体上涉及高速飞行器，并且更具体地，涉及高速飞行器上的用于进行热管理和发电的系统和方法。

背景技术：

在大气中高速行进的飞行器会受到对外部表面和湿润的管道表面的气动加热。当以大于3马赫的速度行进时，更具体地以大于5马赫的高超音速行进时，这些表面的温度可局部超过1000摄氏度，因此必须使用诸如超级合金这样的高密度材料或诸如陶瓷基质复合物这样的昂贵的非金属材料。另外，涡轮风扇和涡轮喷气发动机不能以超过大致3马赫的速度使用，由此限制了它们运行发电机为飞行器系统供电的能力。

技术实现要素：

按照本公开的一方面，一种冷却飞行器上的表面的方法，该方法包括使所述飞行器以至少3马赫的飞行速度前进，其中，所述飞行器的所述表面被气动加热。使超临界工作流体循环通过流体回路，所述循环按顺序包括：通过压缩机压缩所述超临界工作流体；通过所述流体回路的吸热装置加热所述超临界工作流体，其中，所述流体回路的所述吸热装置热耦合到所述飞行器的所述表面；使所述超临界工作流体在热机中膨胀，由此从所述热机产生功输出；冷却所述超临界工作流体；以及使所述超临界工作流体重新循环到所述压缩机。将所述热机的所述功输出操作地联接到所述压缩机。

按照本公开的另一方面，提供了一种用于冷却以至少3马赫的飞行速度行进的飞行器的表面的系统。该系统包括流体回路，该流体回路包含超临界工作流体。所述流体回路按顺序包括：压缩机，用于压缩所述超临界工作流体；吸热装置，其被设置成与所述飞行器的所述表面成热耦合关系，用于加热所述超临界工作流体；热机，用于使所述超临界工作流体膨胀并产生功输出，其中，所述功输出操作地联接到所述压缩机；以及换热器，用于将热从所述流体回路的低压支路交换到所述流体回路的高压支路，所述低压支路位于所述热机下游，所述高压支路位于所述流体回路的所述热机和所述吸热装置二者上游。

按照本公开的其他方面，提供了一种用于冷却飞行器的表面并产生电力的系统。该系统包括流体回路，该流体回路包含超临界工作流体。所述流体回路按顺序包括：压缩机，用于压缩所述超临界工作流体；吸热装置，其被设置成与所述飞行器的所述表面成热耦合关系，用于加热所述超临界工作流体；热机，用于使所述超临界工作流体膨胀并产生功输出，其中，所述功输出操作地联接到所述压缩机；换热器，用于将热从所述流体回路的下压力支路交换到所述流体回路的高压支路，所述低压支路位于所述热机下游，所述高压支路位于所述流体回路的所述热机和所述吸热装置二者上游。发电机操作地联接到所述热机，并且被配置为接收所述功输出的至少一部分并产生辅助电力。控制器操作地联接到所述压缩机，其中，所述控制器被编程为执行方法，该方法包括当所述飞行器的飞行速度大于3马赫时启动所述压缩机的操作。

已讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立地实现或者可在其他示例中组合，可参照以下描述和附图发现这些示例的其他细节。

附图说明

在所附的权利要求书中阐述了被认为是例示性实施方式的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参照以下对本公开的例示性示例的详细描述，将最好地理解例示性示例以及优选的使用模式、其他目的及优点，其中：

图1是具有根据本公开的集成的冷却和发电系统的高速飞行器的立体图。

图2是集成的冷却和发电系统的示意性例示。

图3是例示了用于集成的冷却和发电系统的示例性超临界流体的曲线图。

图4是具有在系统的涡轮机和压缩机之间的机械连接的集成的冷却和发电系统的示例的框图。

图5是具有在系统的涡轮机和压缩机之间的电连接的集成的冷却和发电系统的另一示例的框图。

图6是例示了冷却图1的高速飞行器的外表面的方法的框图，其中，发电是可选的。

具体实施方式

附图和以下描述例示了要求保护的主题的具体示例。因此，应理解，本领域的技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出但实施了示例的原理并且被包括在示例的范围内的各种布置。此外，本文中描述的任何示例旨在帮助理解所公开主题的构造、操作或其他特征的原理，并且应被解释为不限于这种具体阐述的示例和条件。因此，本发明构思不限于下述的具体示例，而是由权利要求书及其等同物限定。

本文中描述的示例通过使超临界工作流体循环通过具有压缩机和热机的流体回路来冷却高速飞行器的表面。当飞行器以大于3马赫行进时，飞行器表面的一些部分可能达到1000摄氏度或更高。超临界工作流体从飞行器表面吸收热，由此消除了热点并允许使用较轻和/或较便宜的材料。高速时产生并由工作流体吸收的热量将工作流体保持在超临界状态，从而允许压缩机、热机和冷却系统的其他部分部件更小更轻。更进一步，由工作流体吸收的热可以用于为飞行器发电。工作流体的超临界状态提高了系统的热效率，与传统的电池或燃料电池相比，系统的热效率的提高与轻型涡轮机械的使用相结合导致紧凑、质轻和高效的电源。

图1例示了高速飞行器102的示例。根据需要，飞行器102可以有人或无人操作。飞行器102仅仅是能够以至少3马赫的速度行进的飞行器的一种构造，并且根据需要，可以实现未示出的其他构造。例如，根据需要，飞行器102可具有不同的形状、大小、长宽比等。因此，出于讨论的目的，仅以特定构造示出飞行器102。

在该示例中，飞行器102具有被暴露于气动加热的表面104。在一些示例中，表面104被设置在飞行器102的前沿面上，诸如机翼106、机尾108、机头罩110或进气管112。在飞行器102以大于马赫3进行操作期间或者在高超音速飞行(例如，飞行器102以5马赫以上的高超音速移动)中，表面104被气动加热。例如，表面104的温度可以超过1000摄氏度。

飞行器102包括用于冷却表面104的系统100，由此允许表面104由低成本和/或更轻的材料形成。如图2中最佳示出的，系统100包括流体回路120，工作流体122循环穿过该流体回路。在所例示示例中，流体回路120被形成为闭环。当飞行器102以大于3马赫的速度进行操作时，来自表面104的热被传递到流体回路120中的工作流体122，由此将工作流体122保持在其临界点以上的温度和压力下。图3以曲线图例示了物质的临界点，其中，在临界点以上的温度和压力将导致超临界状态。在一些示例中，工作流体是超临界二氧化碳。

系统100包括设置在流体回路120中的部件，这些部件用于执行一系列热力学过程，这些过程涉及将热和功传递到系统100中以及从系统100中传递出，同时改变系统内的工作流体122的温度和压力。如图2中示意性例示的，系统100包括用于将超临界工作流体122压缩至增大压力的压缩机130。系统100还包括吸热装置140，吸热装置140从流体回路120外部的源吸收热，以加热超临界工作流体122。在所例示的示例中，外部源是飞行器102的表面104，并且吸热装置140是流体回路120的被设置成与表面104成热耦合关系的部分。

系统100还包括热机150，热机150通过将超临界工作流体122膨胀至降低的压力来从超临界工作流体提取功输出152。尽管图2示意性例示了热机150为涡轮机，但是可使用能够从被加热和加压的工作流体提取功输出的其他类型的热机。在所例示示例中，功输出152采取涡轮机的旋转输出轴的形式，旋转输出轴通过轴154与压缩机130机械联接，由此操作压缩机130。然而，如下面更详细讨论的，除了电联接到发电装置之外，功输出152还可以电联接到压缩机130。另外，应理解，压缩机130和热机150通常将流体回路120分成低压支路124和高压支路126，低压支路124在热机150的下游延伸到压缩机130的入口，高压支路126在热机150的上游延伸到压缩机130的出口。

提供了换热器160，以提高系统100的热效率。如图2中示意性例示的，换热器160将热从流体回路120的低压支路124传递到流体回路的高压支路126。因此，换热器160另选地被称为热交换器。通过在进一步由吸热装置140加热之前将热传递到工作流体122，增加了进入热机150的工作流体122的温度，由此增加了可以从工作流体中提取的功输出152的量。

可设置控制器200，以控制系统100的操作。在图2中，控制器200操作地联接到压缩机130，并且被编程为执行方法，该方法包括当飞行器102的一个或更多个操作条件有利于将工作流体122保持在超临界状态时启动压缩机130的操作。在一些示例中，操作条件是表面104的温度，在这种情况下，控制器200从被配置为检测表面104的温度的传感器202接收反馈，并且被编程为在飞行器102的表面104超过阈值温度时起动压缩机130。示例性阈值温度包括但不限于500摄氏度、600摄氏度、700摄氏度、800摄氏度、900摄氏度和1000摄氏度。在其他示例中，操作条件是指示表面104的温度的飞行器102的飞行速度。在这些示例中，控制器200诸如从输入命令或传感器202(当被配置为确定飞行速度时)接收飞行速度的指示，并且被编程为当飞行器达到阈值飞行速度时起动压缩机130。示例性阈值飞行速度包括但不限于3马赫、3.5马赫、4马赫和高超音速。另外，控制器200可以操作地联接到热机150。

尽管控制器200的特定硬件实现方式受设计选择的影响，但是一个特定示例包括与当前驱动器联接的一个或更多个处理器。一个或更多个处理器可包括能够执行本文中描述的功能的任何电子电路和/或光电路。例如，一个或更多个处理器可执行本文中针对控制器200描述的任何功能。一个或更多个处理器可包括一个或更多个中央处理器(cpu)、微处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、可编程逻辑器件(pld)、控制电路等。处理器的一些示例包括coretm处理器、高级精简指令集计算(risc)机器处理器等。

系统100被配置为在整个热力学循环期间将工作流体122保持在超临界状态，由此使得能够使用更轻更紧凑的涡轮机械。例如，当工作流体122是例如二氧化碳时，临界温度为大致31摄氏度并且临界压力为大致74巴。表面104的空气动力加热随着飞行器102的速度而增加。例如，在3.5马赫的速度时，表面104的局部部分达到400摄氏度或更高，这将足以将工作流体122保持在超临界状态。在超过5马赫的高超音速速度时，表面104的局部部分可能达到1000摄氏度。系统100的热力学效率随着表面104的温度而增加。另外，压缩机130的大小被确定为在整个热力学循环中将工作流体122的压力保持在临界压力之上。因为工作流体122处于超临界状态，所以压缩机130和热机150可具有减小的大小和重量，从而使系统100对于用在飞行器102上是可行的。另外，所例示的系统100是独立于飞行器102的推进系统而设置的闭环系统。

在一些示例中，系统100还被配置为产生电力172。如图2中示意性示出的，系统100可包括操作地联接到热机150的发电机170。发电机170从热机150接收功输出152的至少一部分，并且产生电力172。在该示例中，辅助负载180操作地联接到发电机170，并且被配置为使用电力172进行操作。在其他示例中，电力172可以是用于操作发动机发电机的主要电力源。控制器200还可以操作地联接到发电机170和辅助负载180，由此控制那些部件的操作或其他方面。在其中包括发电机170的示例中，系统100可以另选地被称为集成的冷却和发电系统100。由于通过使用超临界工作流体122而提供的热效率、紧凑的大小和减轻的重量，集成的冷却和发电系统100实现比电池或其他传统电源大一个数量级的重力和体积功率密度。

系统100还可包括用于从工作流体122去除过剩热的预冷器190。如图2中示例性例示的，预冷器190包括预冷器热交换器191，预冷器热交换器191设置在流体回路120的低压支路124中，位于换热器160和压缩机130之间。通过从工作流体122中去除热，预冷器190确保工作流体122的温度不超过压缩机130的额定操作温度范围。过剩热会散发到周围的大气中，或者被传递到飞行器102上的另一系统中的辅助流体。在所例示的示例中，预冷器190还包括穿过预冷器热交换器191的散热器回路193。散热器回路193将过剩废热运送到诸如容纳散热器流体192(例如，飞行器102上运载的燃料、水或其他流体)的容器这样的储存结构或热能存储装置194。随后，过剩热可用于产生额外的电力，向飞行器102上的其他系统提供热，或者简单地散发到周围环境。

图4是例示了当机械地驱动压缩机130时在系统100的操作期间的热力学循环的框图220。在框222中，工作流体122经由吸热装置140被表面104加热。在框224中，工作流体122在热机150中膨胀以获得功输出152，在所例示的示例中，功输出152是旋转轴。接下来，在框226中，通过换热器122，将来自膨胀的工作流体122的热从流体回路120的低压支路124传递到高压支路126。以这种方式，换热器160从膨胀的工作流体122中收集热。框228例示了使用预冷器190将过剩热从工作流体122传递到散热器回路193的可选步骤。以这种方式，过剩热被散发到飞行器散热器回路193。在框230处，压缩机130压缩工作流体122，由此驱动工作流体122通过系统(例如，流体回路120)。在该示例中，压缩机130通过轴154机械地联接到热机150，使得功输出152直接且机械地操作(例如，驱动)压缩机130。框232示意性例示了经由换热器160加热工作流体122。以这种方式，处于压缩状态的工作流体122的温度被预热。然后，在框222中，工作流体122到达吸热装置140，在该处重复该循环。框234例示了使用功输出152的至少一部分来驱动发电机170的可选步骤，并且框236例示了从发电机给辅助负载180供电的可选步骤。因此，在该示例中，来自热机150的功输出152既机械地操作压缩机130，又在发电机170中产生电力。

图5是例示了具有电驱动的压缩机130的系统100中的热力学循环的框图240。除了如何使用功输出152之外，该循环的各阶段与图4中示出的各阶段相同，因此，该示例的描述将仅侧重于那些差异。值得注意的是，系统100省略了在热机150和压缩机130之间延伸的轴154。在框234中例示的使用功输出152来驱动发电机170不再是可选的，而是必需的。压缩机130电联接到发电机170，由此驱动压缩机130。在框236中示出的为辅助负载180供电仍然是可选的，并且可被省略，在这种情况下，发电机170直接联接到压缩机130。因此，在该示例中，来自热机150的功输出152被完全转换成电力，该电力可用于操作压缩机130以及可选地辅助负载180。

图6是例示了冷却高速飞行器102的外表面104的方法300的框图，其中，发电是可选的。方法300开始于框302，使飞行器102以至少3马赫的飞行速度前进，其中，飞行器102的表面104获得热。在框304中，使超临界工作流体122循环通过流体回路120。工作流体122的循环按顺序包括：如框306中所示的通过压缩机130压缩超临界工作流体122；在框308中通过流体回路120的吸热装置140加热超临界工作流体122，其中，流体回路120的吸热装置140热耦合到飞行器102的表面104；以及在框310中使超临界工作流体122在热机150中膨胀，由此从热机150产生功输出152。工作流体122通过流体回路120的循环还包括：在框312中冷却超临界工作流体122；以及在框314中将超临界工作流体122再循环到压缩机130。方法300在框316中继续，即将热机150的功输出152操作地联接到压缩机130。以这种方式，方法300从飞行器102的表面104吸收热，由此允许表面104由成本较低和/或较轻的材料形成，并且使用被吸收的热来操作压缩机130。

方法300可包括用于产生电力的附加的可选步骤。例如，如图6中示意性示出的，方法300可包括在框318中通过将热机150的功输出152操作地联接到发电机170来产生电力。当压缩机130是电动压缩机时，来自发电机170的电力可用于操作压缩机130。另外地或另选地，来自发电机170的电力可用于向辅助负载180供电，如框320中所示。

更进一步，方法300可选地可包括附加步骤，以将工作流体122的温度降低至压缩机130的推荐范围内。具体地，方法300可包括在将超临界工作流体122再循环到压缩机130之前，使用预冷器190散发来自超临界工作流体122的热，如框322中所示。

另外，本公开包括根据以下条款的示例：

条款1.一种冷却飞行器上的表面的方法，该方法包括：使所述飞行器以至少3马赫的飞行速度前进，其中，所述飞行器的所述表面被气动加热；使超临界工作流体循环通过流体回路，所述循环按顺序包括：通过压缩机压缩所述超临界工作流体；通过所述流体回路的吸热装置加热所述超临界工作流体，其中，所述流体回路的所述吸热装置热耦合到所述飞行器的所述表面；使所述超临界工作流体在热机中膨胀，由此从所述热机产生功输出；冷却所述超临界工作流体；以及使所述超临界工作流体重新循环到所述压缩机；以及将所述热机的所述功输出操作地联接到所述压缩机。

条款2.根据条款1所述的方法，该方法还包括：通过将所述热机的所述功输出操作地联接到发电机来产生电力。

条款3.根据条款2所述的方法，其中，所述压缩机包括操作地联接到所述发电机的电动压缩机。

条款4.根据条款2所述的方法，该方法还包括：使用所述发电机为辅助负载供电。

条款5.根据条款1至4中任一项所述的方法，其中，冷却所述超临界工作流体包括：将热从所述流体回路的低压支路交换到所述流体回路的高压支路，所述低压支路位于所述热机下游，所述高压支路位于所述流体回路的所述热机和所述吸热装置二者上游。

条款6.根据条款5所述的方法，其中，设置换热器，以将热从所述流体回路的所述低压支路交换到所述流体回路的所述高压支路。

条款7.根据条款1至6中任一项所述的方法，该方法还包括：在将所述超临界工作流体重新循环到所述压缩机之前，将热从所述超临界工作流体经由预冷器散发。

条款8.根据条款1至7中任一项所述的方法，其中，所述超临界工作流体包括超临界二氧化碳。

条款9.一种用于冷却以至少3马赫的飞行速度行进的飞行器的表面的系统，该系统包括：流体回路，其包含超临界工作流体，所述流体回路按顺序包括：压缩机，用于压缩所述超临界工作流体；吸热装置，其被设置成与所述飞行器的所述表面成热耦合关系，用于加热所述超临界工作流体；热机，用于使所述超临界工作流体膨胀并产生功输出，其中，所述功输出操作地联接到所述压缩机；以及换热器，用于将热从所述流体回路的低压支路交换到所述流体回路的高压支路，所述低压支路位于所述热机下游，所述高压支路位于所述流体回路的所述热机和所述吸热装置二者上游。

条款10.根据条款9所述的系统，该系统还包括发电机，该发电机操作地联接到所述热机并且被配置为接收所述功输出的至少一部分并产生电力。

条款11.根据条款10所述的方法，其中，所述压缩机包括操作地联接到所述发电机的电动压缩机。

条款12.根据条款9至11中任一项所述的系统，该系统还包括预冷器，该预冷器操作地联接到所述流体回路的所述低压支路，位于所述换热器和所述压缩机之间。

条款13.根据条款9至12中任一项所述的系统，该系统还包括操作地联接到所述压缩机的控制器，其中，所述控制器被编程为执行方法，该方法包括当所述飞行器的操作条件超过操作阈值时启动所述压缩机的操作。

条款14.根据条款13所述的系统，其中，所述飞行器(102)的所述操作条件包括所述表面的温度。

条款15.根据条款13的系统，其中，所述飞行器的所述操作条件包括所述飞行器的飞行速度。

条款16.一种用于冷却飞行器的表面并产生电力的系统，该系统包括：流体回路，其包含超临界工作流体，所述流体回路按顺序包括：压缩机，用于压缩所述对超临界工作流体；吸热装置，其被设置成与所述飞行器的所述表面成热耦合关系，用于加热所述超临界工作流体；热机，用于使所述超临界工作流体膨胀并产生功输出，其中，所述功输出操作地联接到所述压缩机；换热器，用于将热从所述流体回路的低压支路交换到所述流体回路的高压支路，所述低压支路位于所述热机下游，所述高压支路位于所述流体回路的所述热机和所述吸热装置二者上游；发电机，其操作地联接到所述热机，并且被配置为接收所述功输出的至少一部分并且产生辅助电力；以及控制器，其操作地联接到压缩机，其中，所述控制器被编程为执行方法，该方法包括当所述飞行器的飞行速度大于3马赫时启动所述压缩机的操作。

条款17.根据条款16所述的方法，其中，所述压缩机包括操作地联接到所述发电机的电动压缩机。

条款18.根据条款16至17中任一项所述的系统，该系统还包括操作地联接到所述发电机的辅助负载。

条款19.根据条款16至18中任一项所述的系统，该系统还包括预冷器，所述预冷器操作地联接到所述流体回路的所述低压支路，位于所述换热器和所述压缩机之间。

条款20.根据条款19所述的系统，其中，所述预冷器包括散热器流体或热能储存装置。

如本文中所使用的术语“顺序”通常涉及按次序的元件(例如，单元操作)。这样的顺序可以是指诸如(例如)流体从一个元件流到另一个元件的顺序这样的处理顺序。在示例中，按顺序的压缩机、热储存单元和涡轮机包括在热交换单元上游的压缩机和在涡轮机上游的热交换单元。在这种情况下，流体可以从压缩机流到热交换单元，并且从热交换单元流到涡轮机。顺序流过单元操作的流体可顺序地流过单元操作。一系列元件可包括一个或更多个中间元件。例如，按顺序包括压缩机、热储存单元和涡轮机的系统可包括在压缩机和热储存单元之间的辅助罐。一系列元件可以是循环的。

图中示出或本文中描述的各种元件中的任一个都可被实现为硬件、软件、固件或这些的某种组合。例如，元件可被实现为专用硬件。专用硬件元件可被称为“处理器”、“控制器”或一些类似术语。当由处理器提供时，这些功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独的处理器提供，这些处理器中的一些可被共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他性地指能够执行软件的硬件，并且可隐含地包括而不限于数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)或其他电路、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、非易失性存储器、逻辑器件或某种其他物理硬件部件或模块。

另外，元件可被实现为可由处理器或计算机执行以执行该元件的功能的指令。指令的一些示例是软件、程序代码和固件。指令在由处理器执行时是可操作的，以指导处理器执行元件的功能。指令可被存储在处理器可读的存储装置上。存储装置的一些示例是数字或固态存储器、诸如磁盘和磁带这样的磁存储介质、硬驱动器或光学可读数字数据存储介质。

尽管本文中描述了特定的示例，但是范围不限于那些特定的示例。确切地，范围由随附权利要求书及其任何等同物限定。