摘要

高超聲速飛行器面臨的氣動加熱對熱防護(hù)系統(tǒng)提出嚴(yán)苛要求，布雷頓熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是實(shí)現(xiàn)熱能高效利用的重要途徑。研究借助威尼德 Mini Pulser 399 經(jīng)濟(jì)款電穿孔儀，構(gòu)建高溫工質(zhì)處理與布雷頓循環(huán)耦合實(shí)驗(yàn)平臺，系統(tǒng)探究工質(zhì)配比及脈沖參數(shù)對熱電轉(zhuǎn)換效率的影響，為熱防護(hù)系統(tǒng)能量優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

引言

在航空航天領(lǐng)域，高超聲速飛行器因具備快速遠(yuǎn)程投送能力成為各國研究重點(diǎn)，但其飛行時(shí)表面溫度可達(dá) 1500℃以上，傳統(tǒng)熱防護(hù)技術(shù)難以兼顧散熱與能量利用。布雷頓熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)通過高溫工質(zhì)循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，既能降低熱載荷，又可為機(jī)載設(shè)備供電，成為提升熱防護(hù)系統(tǒng)綜合性能的關(guān)鍵。然而，高溫工質(zhì)的穩(wěn)定性調(diào)控和循環(huán)參數(shù)的精準(zhǔn)匹配，仍是制約該技術(shù)工程化的核心難題。

威尼德 Mini Pulser 399 經(jīng)濟(jì)款電穿孔儀憑借的技術(shù)優(yōu)勢，為解決上述問題提供了創(chuàng)新方案。該設(shè)備采用高精度指數(shù)波脈沖技術(shù)，搭載實(shí)時(shí)電弧監(jiān)測系統(tǒng)，可在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的高效處理，在保護(hù)工質(zhì)活性的同時(shí)提升分散均勻性。其獨(dú)立電轉(zhuǎn)座的模塊化設(shè)計(jì)，支持原核 / 真核細(xì)胞、微生物等多種樣本的快速切換，尤其適合高超聲速領(lǐng)域復(fù)雜工質(zhì)的多場景實(shí)驗(yàn)，為布雷頓循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化奠定了設(shè)備基礎(chǔ)。

材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

工質(zhì)制備基礎(chǔ)工質(zhì)由、聯(lián)苯醚及氧化鋁納米顆粒按 5:3:2 比例混合而成，經(jīng)激光粒度儀檢測納米顆粒平均粒徑為 50 nm。通過添加某試劑（含抗氧化劑與表面活性劑的乙醇溶液，經(jīng) 0.22 μm 濾膜除菌）提升工質(zhì)穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置納米顆粒濃度 10%、20%、30% 及有機(jī)組分比例 6:4、5:5、4:6 共 9 組配比，每組樣本經(jīng)超聲振蕩 30 分鐘至均勻分散。

核心儀器

威尼德 Mini Pulser 399 經(jīng)濟(jì)款電穿孔儀：配備定制高溫電轉(zhuǎn)腔（耐溫 500℃，容積 20 mL），支持 100-300 V 電壓調(diào)節(jié)，具備一鍵式脈沖觸發(fā)功能，可實(shí)時(shí)記錄電壓衰減曲線，脈沖參數(shù)精度誤差＜1%。

微型布雷頓循環(huán)測試平臺：集成高溫?fù)Q熱器（控溫精度 ±2℃，最高 600℃）、微型渦輪發(fā)電機(jī)、高精度傳感器組（溫度精度 ±1℃，壓力精度 ±0.5% FS）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采樣頻率 1000 Hz）。

實(shí)驗(yàn)平臺搭建

系統(tǒng)集成使用耐高溫密封膠連接循環(huán)回路，工質(zhì)儲罐注入 500 mL 預(yù)處理工質(zhì)，啟動循環(huán)泵預(yù)運(yùn)行 30 分鐘排除空氣，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在 1.0 MPa。電穿孔儀與加熱模塊通過專用線纜連接，確保高溫環(huán)境下信號傳輸穩(wěn)定。

設(shè)備校準(zhǔn)

電穿孔儀：通過標(biāo)準(zhǔn)電阻箱驗(yàn)證電壓輸出精度，不同設(shè)定值偏差控制在 1% 以內(nèi)；利用紅外熱像儀檢測電轉(zhuǎn)腔溫度均勻性，溫差≤±3℃。

循環(huán)系統(tǒng)：采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶校準(zhǔn)換熱器溫控模塊，壓力傳感器經(jīng)標(biāo)定儀校準(zhǔn)后＜0.5% FS，確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。

結(jié)果與討論

工質(zhì)處理參數(shù)優(yōu)化效果

實(shí)驗(yàn)表明，電壓 200 V、脈沖次數(shù) 2 次時(shí)處理效果佳：納米顆粒團(tuán)聚體減少 40%，工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)提升 15%，熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 18.7%±0.6%，較未處理樣本提高 20%。過高電壓（300 V）會導(dǎo)致 1.5% 的有機(jī)組分分解，而單次脈沖（1 次）分散不充分，效率僅 16.2%±1.1%。威尼德電穿孔儀的實(shí)時(shí)電弧監(jiān)測系統(tǒng)在此過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，動態(tài)調(diào)整能量輸出，將工質(zhì)分解率控制在 2% 以內(nèi)，平衡了處理效率與樣本保護(hù)。

工質(zhì)配比對循環(huán)效率的影響

納米顆粒濃度 20% 時(shí)，工質(zhì)黏度適中（5.5 mPa?s@400℃），流動阻力與導(dǎo)熱能力達(dá)到最佳平衡，較 10% 濃度組效率高 12%，較 30% 濃度組高 8%。有機(jī)組分比例 5:5 時(shí)，工質(zhì)相變溫度區(qū)間與循環(huán)溫壓條件匹配度最高，在 400℃工況下效率峰值達(dá) 19.2%，較 6:4 組高 3.8%，較 4:6 組高 3.2%。這驗(yàn)證了設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)對多元工質(zhì)體系的良好適配性，尤其適合多參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

威尼德 Mini Pulser 399 的極簡操作界面（僅需設(shè)定電壓參數(shù)）使實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短 35%，新手經(jīng)簡單培訓(xùn)即可操作，顯著降低人力成本。其 A4 紙尺寸（297×210 mm）與不足 3 kg 的重量，支持在超凈臺、低溫操作間等受限空間靈活部署，配合快拆式電轉(zhuǎn)座，可在 1 分鐘內(nèi)完成不同工質(zhì)體系的切換，滿足高頻次對比測試需求。電路設(shè)計(jì)延長設(shè)備壽命，維護(hù)成本較同類產(chǎn)品降低 50%，成為中小實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)機(jī)構(gòu)的性價(jià)比選擇。

結(jié)論

研究通過威尼德 Mini Pulser 399 電穿孔儀與微型布雷頓循環(huán)平臺的協(xié)同實(shí)驗(yàn)，明確了高溫工質(zhì)處理參數(shù)組合（200 V 電壓、2 次脈沖）及工質(zhì)配比（20% 納米顆粒、5:5 有機(jī)組分），實(shí)現(xiàn)了 19.2% 的熱電轉(zhuǎn)換效率，為高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)能量優(yōu)化提供了可行方案。

實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該設(shè)備在高溫復(fù)雜環(huán)境下的精準(zhǔn)調(diào)控能力：高精度脈沖技術(shù)保障工質(zhì)活性與分散效果，模塊化設(shè)計(jì)支持多元場景快速切換，經(jīng)濟(jì)款定位兼顧性能與成本。目前，威尼德 Mini Pulser 399 已在航天材料實(shí)驗(yàn)室、能源轉(zhuǎn)換研究中心等機(jī)構(gòu)應(yīng)用，針對高超聲速領(lǐng)域特殊需求，可提供高溫電轉(zhuǎn)腔定制、脈沖參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)服務(wù)。如需獲取設(shè)備技術(shù)資料或定制實(shí)驗(yàn)方案，歡迎聯(lián)系威尼德技術(shù)團(tuán)隊(duì)深入交流。

參考文獻(xiàn)

1. 高超聲速飛行器布雷頓循環(huán)PCHE中CO2換熱特性數(shù)值研究 [J] . 王彥紅 ,孫文清 ,東明 . 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào) . 2023,第4期

2. 高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱防護(hù)技術(shù)研究 [J] . 康瑾 . 中阿科技論壇(中英文) . 2020,第9期

3. 基于表面織構(gòu)的高超聲速飛行器舵翼熱防護(hù)技術(shù)研究 [J] . 常秋英 ,蔡禮港 ,楊超 . 四川兵工學(xué)報(bào) . 2018,第7期

4. 基于表面織構(gòu)的高超聲速飛行器舵翼熱防護(hù)技術(shù)研究 [J] . 常秋英 ,蔡禮港 ,楊超 . 兵器裝備工程學(xué)報(bào) . 2018,第7期

5. 高超聲速飛行器多物理場耦合及熱防護(hù)技術(shù)研究綜述 [J] . 鄭玲 ,左益芳 ,孟繁童 . 裝備環(huán)境工程 . 2018,第11期