涡轮机驱动的冷电联供系统在高超声速飞行器中的应用：朗肯循环与布雷顿循环的对比分析

 

摘 要： 高超声速巡航飞行器在长航时、高马赫数飞行过程中面临极端的气动加热环境与日益增长的电力供给需求两大挑战。将飞行器表面和发动机壁面的高品质热量通过热电转换技术转化为电能，不仅能够起到热防护作用，还能为机载系统提供电力支持。本文系统综述了高超声速巡航飞行器机载发电系统的研究现状，首先阐述高超声速飞行环境的热防护需求与机载发电技术的发展背景，继而从涡轮机驱动、非涡轮机驱动以及组合式三大技术路线出发，对朗肯循环发电系统、布雷顿循环发电系统、半导体温差发电系统、磁流体发电系统、碱金属热电转换发电系统、固体氧化物燃料电池发电系统及其组合方案的研究进展进行了详细梳理与评析。在此基础上，深入分析了各类机载发电系统的技术优势与面临的核心挑战。最后，展望了未来高超声速巡航飞行器机载发电系统在大功率化、轻质化和高效能化三个方向的发展趋势，旨在为该领域的研究提供系统性参考。

关键词： 高超声速巡航飞行器；机载发电系统；热电转换；动力循环；固体氧化物燃料电池

 

引 言

高超声速巡航飞行器以其卓越的高速突防能力和快速打击能力，成为二十一世纪航空航天领域的战略制高点，具有重大的军事和经济价值。然而，当飞行器以马赫数6~8乃至更高的速度在大气层内巡航时，机体表面与空气之间剧烈的摩擦和激波压缩作用将产生极端的气动加热环境。研究数据表明，当马赫数为8时，飞行器前缘的稳态温度可以达到1927℃，推进系统的壁面热流可达10⁷W/m²量级，温度更是高达3000K。若无有效的冷却措施，壁面温度将迅速达到材料极限而发生烧蚀破坏。这一严酷的热环境构成了高超声速飞行器发展面临的首要技术瓶颈。

传统的气动热防护方法主要分为被动式和主动式两大类。被动热防护技术包括隔热冷却、热沉冷却和辐射散热冷却；主动式热防护技术则涵盖发汗冷却、薄膜冷却和再生冷却。然而，这些方法大多仅着眼于热管理单一目标，忽视了高超声速飞行过程中蕴藏的巨大热量所具有的能量价值。实际上，飞行器表面和发动机壁面所承受的高温环境是一种高品质热源，若能够通过热电转换技术将其转化为电能，则不仅可以起到热防护作用，还能为日益增长的机载用电系统提供电力支撑，实现“以热生电、以电制热”的能量循环利用。

从电力需求来看，高超声速巡航飞行器面临着不容忽视的供电压力。该类飞行器以冲压发动机为动力，缺乏传统的机械轴输出，使得常规的轴动发电技术不再适用。然而，飞行器内部配备的燃油供给系统、飞行控制系统、导航通信系统以及主被动雷达任务系统等，均对电力有持续且较高的需求。2015年美国空军在SBIR/STTR计划中提出的电力指标为：马赫数6~8、飞行高度15km以上，巡航30~60min，功率要求不小于1MW。这一需求远远超出了传统蓄电池方案的供给能力。受限于能量密度低、供电时间短等固有缺陷，单纯依赖蓄电池供电将导致长航时飞行时供电系统质量巨大，难以满足飞行器的严苛重量约束。

因此，发展先进的热电转换机载发电系统，同时满足飞行器热防护需求和电力供给需求，已成为高超声速巡航飞行器领域亟待解决的关键技术挑战。近年来，围绕该方向的研究取得了诸多进展，涌现出涡轮机驱动、非涡轮机驱动和组合式三大类机载发电技术方案。本文对目前机载发电系统的研究现状进行系统梳理与评述，比较各类技术方案的优势与局限，探讨未来发展的重要方向，旨在为后续研究者提供全面、系统的技术参考和决策支持。

 

一、涡轮机驱动的机载发电系统

涡轮机驱动的机载发电系统是目前研究最为成熟的技术路线之一，其核心思想是通过工质的吸热与放热实现热能—机械能—电能的逐级转化。这类系统通常基于朗肯循环（Rankine Cycle, RC）或布雷顿循环（Brayton Cycle, BC）等动力循环原理构建，将发动机壁面和飞行器表面的废热转化为轴功率驱动发电机发电，在实现热防护功能的同时为机载设备供给电能。其中，斯特林循环因实际应用中存在诸多技术难点而鲜有采用。

1.1 基于朗肯循环的发电系统

朗肯循环是一种经典的蒸汽动力循环，由压缩泵、高温热交换器（蒸发器）、涡轮机和冷凝器四个核心部件组成。在理想循环过程中，工质经压缩泵增压后进入高温热交换器加热汽化，形成高温高压蒸汽后在涡轮机中膨胀作功，作功后的乏汽在冷凝器中液化后返回压缩泵，完成整个循环。朗肯循环系统常用的工质包括水以及各种有机工质，工质的选择对系统性能具有至关重要的影响。

在高超声速飞行器领域，Qin等最早于2006年提出了基于朗肯循环的超燃冲压发动机热管理方法，该系统采用碱金属作为循环工质。然而，碱金属化学活性强、密封要求高，制约了其工程化应用。2009年，Sforza等创新性地提出使用碳氢燃料作为循环工质的半闭式朗肯循环发电系统。碳氢燃料经供给泵增压后进入蒸发器，吸热汽化后一部分通过比例阀进入燃烧室，另一部分送至过热器继续升温。但该系统持续运行时面临燃气裂解和温度升高等问题，系统的长期运行稳定性有待验证。

同年，Bao等提出了基于再生冷却的开式朗肯循环发电系统。该系统的创新之处在于碳氢燃料进入第一段蓄热式冷却通道后，利用其潜热吸收热量转变为气体状态，高温高压燃气通过涡轮膨胀做功后进入第二段蓄热式冷却通道继续吸收热量，通过重复多次加热工质间接增加了碳氢燃料的热沉。研究结果表明，该系统可使燃料最大热沉增加0.4 MJ/kg。在此基础上，2010年Qin等建立了一维翅片型解析模型，分析了再生冷却过程对系统传热和流动特性的影响，并通过热力学优化计算获得了系统最优循环参数以及第一、二冷却通道之间的最优长度分配比例。不过，如何有效避免再生冷却过程引发的马赫数约束和低温传热恶化，仍是该系统设计中需要重点关注的问题。

水是一种无毒无污染、热稳定性强且导热性能良好的物质，在朗肯循环发电系统中具有独特优势。2018年，王邦运提出了基于水循环的朗肯循环发电系统，分析了循环膨胀比、冷煤油流量和环境温度等参数对系统性能的影响，并通过㶲分析发现最大㶲损失发生在发动机冷却通道的吸热过程。鉴于水循环难以将燃烧室壁面热量完全吸收，李新春提出了进一步的优化方案，将燃烧室壁面传出的一部分热量通过循环工质吸收，另一部分通过低温换热器流出的碳氢燃料吸收，并通过仿真分析验证了该方案的可行性。

近年来，有机工质朗肯循环凭借其在中低温热源利用方面的优势受到关注。2021年，孙红闯提出了基于有机工质朗肯循环和冲压空气涡轮相结合的发电系统。该系统中，空气既作为空气涡轮工质又作为朗肯循环的热源，碳氢燃料则同时作为空气涡轮和朗肯循环的冷却剂。研究结果表明，有机工质R245fa和R123按照1:3的比例混合时，系统发电功率可达118.9 kW，相较于单一空气涡轮方案提升了20.7%，同时还可获得一定量的低温空气，减少了约17%的冷能消耗。

从热力性能来看，朗肯循环的功率重量比较为可观，最高约为0.88，与闭式布雷顿循环接近。然而，朗肯循环系统在高超声速环境下面临的主要挑战在于系统关键部件的紧凑化设计和工质的热稳定性问题。

1.2 基于布雷顿循环的发电系统

布雷顿循环是一种气体动力循环，主要由压气机、高温热交换器、涡轮机和冷凝器组成。与朗肯循环不同的是，工质在布雷顿循环过程中不发生相变，不存在等温吸热和等温放热过程。在高温条件下，布雷顿循环通常能够获得更高的热效率，因此特别适用于高超声速飞行器的高温热环境。

在高超声速领域，工质的选择对布雷顿循环的性能具有决定性的影响。循环工质的输运特性直接决定了换热效率、系统压损和整体热力学性能。当前研究主要集中于氦气工质和超临界二氧化碳工质两条技术路线，二者在热力学性能、系统尺寸和材料要求方面各有优势。

1.2.1 氦气工质布雷顿循环

氦气作为一种惰性气体，具有优异的热导率和较大的比热容，在提升换热效率和系统发电性能方面展现出明显优势。2006年，Bao等率先提出了基于闭式布雷顿循环的超燃冲压发动机综合热管理系统，采用氦气与氙气的混合物作为循环工质，系统发电效率达到30.42%。这一研究工作为氦气布雷顿循环在高超声速飞行器上的应用奠定了重要基础。

为进一步提升燃料热沉利用效率，Qin等于2010年提出了基于再生冷却的闭式布雷顿循环发电系统。该系统通过将燃料中的部分热量转化为电能，使燃料热沉间接增加了约54%。这一思想将发电功能与热管理功能深度耦合，体现了“能热一体化”的系统设计理念。在此基础上，为充分利用飞行器外部的气动热，马等于2014年提出了一种针对飞行器外部热防护的闭式布雷顿循环发电系统，以飞行器外部气动热作为热源，电子设备舱的排气作为冷源。该研究系统比较了氦气、二氧化碳和空气三种工质对发电系统性能的影响，结果表明氦气工质可获得最大的发电功率。然而，受到冷源的限制，系统发电效率仅为5.8%，这一结果凸显了冷源有限是高超声速飞行器发电系统面临的核心制约因素。

针对冷源受限这一共性问题，Cheng等于2018年提出了基于回热式闭式布雷顿循环的发电系统。该系统在传统闭式布雷顿循环架构中增设了回热换热器，低温低压氦气经过压气机增压后进入回热器吸收高温工质膨胀后未转化为轴功的余热，从而提高了系统的热经济性。该研究详细分析了有限冷源条件下影响发电功率的关键因素，比较了常温状态下的低温燃料和碳氢燃料的发电性能差异。考虑到高温条件下碳氢燃料容易出现结焦和积碳问题，2019年Cheng等进一步提出了增加液态金属回路的回热式布雷顿循环发电系统。该系统的核心创新在于利用液态金属作为中间介质，吸收燃烧室热量后流入换热器加热氦气工质，而电磁泵则为液态金属循环提供所需的压差。这种设计实现了热源加热过程与工质冷却过程的解耦，有效平衡了单侧受热微小通道的压力损失与传热系数之间的矛盾，为高温环境下系统的稳定运行提供了新思路。

1.2.2 超临界二氧化碳布雷顿循环

超临界二氧化碳（S-CO₂）因其无污染、低成本以及较高的密度和临界压力而备受关注。与氦气工质相比，S-CO₂布雷顿循环有助于减小系统各部件的体积，在系统紧凑化布局方面展现出显著优势。

2021年，姜培学等提出了基于S-CO₂的闭式布雷顿循环发电系统。理论分析表明，与蓄电池供电方案相比，该系统在体积和重量上更为优越，并且随着飞行时间的延长这一优势将更加突出。研究结果显示该系统的发电效率约为17%。然而，与以氦气为工质的系统相比，发电性能仍存在较大差距。为弥补这一不足，同年苗鹤洋等提出了基于S-CO₂的再压缩回热式闭式布雷顿循环发电系统。该系统将超临界二氧化碳工质经涡轮膨胀做功后分为两部分，一部分工质流过高低温回热器进入再压缩机，另一部分直接通过换热器进入主压缩机，通过工质分流提高了回热效果，同时引入额外的压缩机增加了循环热效率。研究结果表明，该方案的发电效率提升至28.9%。

为进一步优化S-CO₂布雷顿循环的性能，系统结构的优化设计成为研究热点。2022年，Cheng等提出了新型液态金属磁流体与闭式布雷顿循环联合的发电系统，利用高温液态金属与来自回热器冷侧的工质直接接触换热，使工质被快速加热。研究结果表明，该系统方案的发电功率较独立的闭式布雷顿循环发电系统提升了92.44%，单位燃料质量流量的发电功率达到637.84 kW。不过，由于该方案新增了LMMHD发生器和气液分离器等关键部件，系统的可靠性和工艺设计仍面临挑战。在此基础上，Wang等进一步建立了LMMHD-CBC多维耦合性能模型，提出了多级混合分离LMMHD发生器以解耦空隙率与壁面冷却之间的矛盾，确定了最佳空隙率为0.65。

2023年，Dang等提出了燃料蒸汽涡轮与闭式布雷顿循环联合的发电系统。该方案的特色在于碳氢燃料在冷却器和壁面冷却通道中吸热裂解为小分子碳氢化合物，随后燃料及其裂解产物进入燃料蒸汽涡轮发电，发电后继续流经换热器以加热布雷顿循环工质。利用零维数学模型和遗传优化算法，研究结果表明该系统方案的发电功率较独立的闭式布雷顿循环发电系统可提升25%~190%，发电效率达到31.10%。当然，燃料蒸汽涡轮和发电机等重型组件的引入所带来的系统质量惩罚问题值得进一步评估。

2024年，Luo等系统比较了再生循环、再压缩循环、预压缩循环和部分冷却循环四种S-CO₂布雷顿循环方案在高超声速飞行器上的性能表现，采用非支配排序遗传算法进行多目标优化。结果表明，再生式S-CO₂布雷顿循环能够在保持结构简单的同时维持较高的输出功率，再生方案在研究范围内的最优发电功率为203.49 kW，较好地满足了高超声速飞行器的供电需求。2025年，Qi等进一步面向高超声速飞行器多热源热管理需求，提出了12种基于S-CO₂布雷顿循环的热电转换方案，建立了涵盖热效率、冷却剂流量及系统质量的三维评价体系，采用非支配排序遗传算法开展多目标优化，结果表明预压缩气动构型在综合优化中性能最优。此外，马小峰等对超临界CO₂布雷顿循环系统在动态工况下的性能进行了仿真研究，结果表明热负荷激增和冷源不足均会引起循环热力学性能下降，工况叠加后甚至可能导致控制器失效，这对部件的瞬态响应设计提出了更高要求。

综合来看，氦气因其较高的热导率和比热容，在提升系统换热效率、热效率及发电功率方面具有明显优势；而超临界二氧化碳凭借其较大的密度和临界压力，有助于减小系统及部件的体积，在紧凑化布局方面表现出优越性。工质的选择取决于应用场景对系统性能、成本和尺寸的具体要求。此外，系统部件的材质同样影响工质的选取——超临界二氧化碳因其较高的运行压力需要高强度材料，因此更适用于金属材质的系统。

 

二、非涡轮机驱动的机载发电系统

与涡轮机驱动的发电系统相比，非涡轮机驱动的系统省去了压气机、涡轮机等高速旋转部件，从而降低了系统复杂度、简化了结构设计，在成本控制和轻量化方面具有独特优势。目前，非涡轮机驱动的机载发电系统主要涵盖半导体温差发电、磁流体发电、碱金属热电转换以及固体氧化物燃料电池发电四种技术路线。其中，前三种技术无需额外消耗碳氢燃料，而固体氧化物燃料电池发电则需要额外供应燃料。

2.1 半导体温差发电系统

半导体温差发电技术的核心物理基础是塞贝克效应。当PN结两端存在温差时，热激发导致P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子从热端向冷端扩散，由此产生与温差呈正相关的电动势。为了获得更高的输出电压，通常会将多个PN结以电串联、热并联的方式组成热电模块。半导体温差发电技术凭借其无运动部件、无噪声、寿命长和环保等优势，被视为21世纪最具前景的能源解决方案之一。

在高超声速巡航飞行器领域，将气动热能与热电转换技术相结合的研究逐步深入。2017年，Cheng等提出了基于半导体温差发电技术的高超声速巡航飞行器余热回收系统，系统热源为飞行器舱壁气动热，冷源为碳氢燃料，半导体材料布置于飞行器舱壁和冷却通道之间。该研究系统比较了基于变温热源和恒温热源的两种发电方案，结果表明二者的发电效率分别为2.5%和5%。在此基础上，Jia等2021年给出了气动加热和热电转换相结合的一体化计算方法，详细分析了飞行马赫数、飞行高度以及半导体长度对能量回收系统性能的影响。研究结果揭示，提高飞行马赫数和降低飞行高度能够显著提升系统性能，且在特定飞行条件下存在最优的半导体长度，可获得最大的系统输出功率和发电效率。针对热端换热强化问题，Qiao等通过增强型结构诱导纵向涡以强化传热，在质量流量0.076 kg/s的条件下实现了飞行器前缘内壁温度低于275 K、外壁温度低于650 K的热防护目标。更为重要的是，地面验证是该技术走向工程应用的关键环节，熊屠安等于2025年利用电弧加热风洞模拟高超声速飞行热环境，对半导体温差发电器件开展了系统性能测试，结果表明在模拟飞行条件下单器件最大输出功率为0.5 W，峰值转换效率2.58%，为工程化推进提供了宝贵数据。

以燃烧室壁面为热源的研究同样取得重要进展。2017年，李新春提出了燃烧室壁面直接作为热源的半导体温差发电系统，将燃烧室壁面高温部分用作发电系统热端，燃料流过的冷却通道作为冷端，半导体材料嵌置于热端与冷端之间。研究结果显示系统发电效率为8.12%。然而，该方案未充分考虑燃烧室壁面的温度可能超出半导体材料承受范围的问题。2018年，Cheng等提出了燃烧室壁面间接作为热源的温差发电系统，利用燃烧室壁面加热的燃料而非壁面本身作为热源，有效保护了半导体材料，系统发电效率提升至18.38%。这一设计思路体现了热源温度匹配的系统集成理念。

总体而言，半导体温差发电系统的发电功率水平相对有限，其技术更适用于功率需求较低的场景。随着高温区热电材料的持续研发，该技术有望在高超声速飞行器冷电联供体系中发挥更大作用。然而，当前半导体材料的转换效率仍处于6%~15%的较低水平，且面对超过1000 K的热源温度，现有半导体材料的长期运行稳定性仍存在挑战。

2.2 磁流体发电系统

磁流体发电是一种将导电流体的动能或热能直接转换为电能的发电方式，无需涡轮和发电机等转动部件。该技术的基础是法拉第电磁感应定律——在磁场中运动的导电流体会感应出电动势。在高超声速飞行器中，通过向燃烧室排出的高温燃气中添加低电离能化合物形成导电流体，然后利用超导磁体在气流通道内产生横向磁场，当导电流体流经磁场时，正负电荷载体在洛伦兹力作用下发生分离，从而产生横向电动势实现发电。

磁流体发电系统结构简单、响应快速，在高超声速巡航飞行器上具有独特的应用潜力。2008年，Harada等通过比较实验与仿真结果验证了超燃冲压发动机驱动磁流体发电的可行性。随后，2009年Vatazhin等重点分析了磁流体发电系统的集成对飞行器推力特性的影响，研究发现尽管在保持推力与阻力平衡的前提下可以实现磁流体发电，但会导致有效推力一定程度的下降。2013年，黄浩等通过数值模拟研究了高超声速条件下等截面磁流体发电系统的性能，详细分析了负载系数和磁场强度等关键参数对发电性能的影响，指出在最优参数配置下单位体积发电量有望达到兆瓦级别。

从技术发展的宏观历史来看，磁流体发电的研究经历了从地面脉冲电源到空天应用拓展的演进过程。20世纪90年代，以俄罗斯提出的“AJAX”高超声速飞行器概念为标志，磁流体能量旁路思想的提出极大地激发了该技术在航空航天领域的研究热情。2023年，李灏等通过数值分析方法研究了高超声速巡航飞行器尾喷管中磁流体发电系统的性能，发现随着磁流体电极对数的增加，系统内部的霍尔效应相应减弱，从而提升了发电系统的整体性能，当电极对数增至6对时系统发电效率达到24.9%。2025年，刘琛源等建立了考虑燃烧室后磁流体发电效应的总体性能评估模型，系统揭示了焓提取率与负载系数对发动机比冲、单位推力等性能的影响规律，研究指出在负载系数0.4、磁感应强度2.5 T、焓提取率0.5%的条件下，发动机比冲损失约为3.58%。

在磁流体能量提取方面，滕子昂等的研究表明，在典型导入飞行状态（高度46 km，速度7000 m/s）下，磁流体能量提取装置在0.2 T的磁场强度下可提供千瓦级功率输出。与此同时，磁流体热防护技术的研究显示外加磁场可使飞行器驻点热流降低20%。

然而，磁流体发电系统目前仍面临诸多技术挑战：超导磁体的磁稳定性、与外部磁场的兼容性、高温超导磁体制备工艺等问题尚待解决。此外，在较低飞行马赫数下气流电离不足，通常需要使用昂贵的贵金属作为电离增强剂，进一步增加了系统成本。因此，磁流体发电系统在高超声速巡航飞行器上的工程化应用尚处于研发阶段，短期内难以实现实用化。

2.3 碱金属热电转换发电系统

碱金属热电转换器是一种高效的高温热电转换装置。其工作原理是：在高压腔室内（压力通常超过20 kPa），受热的钠原子电离成钠离子和自由电子；钠离子通过固体电解质（通常为β‴-Al₂O₃）迁移至低压腔室（压力低于100 Pa），而电子则通过阳极流向外部电路；在低压腔室内，钠离子与电子在阴极表面重新结合成钠原子，并在冷源作用下凝结。这一过程实现了热能向电能的直接转换，无需运动部件。

碱金属热电转换发电系统凭借其无噪音运行、静态组件设计和低制造成本等优势，在太空探索、航空航天和汽车制造等领域展现出巨大的应用潜力。该发电系统的最佳运行温度范围为900~1300 K，与高超声速巡航飞行器环境温度具有良好的匹配性。2016年，秦江等提出了基于碱金属热电转换的高超声速巡航飞行器发电/冷却一体化系统方案，以发动机壁面作为热源、碳氢燃料作为冷源。2018年，詹景坤等提出了类似的系统方案，不同之处在于以飞行器气动热作为热源。

尽管碱金属热电转换技术具有理论上的高热电转换效率潜力，但当前仍面临若干关键挑战：高性能固体电解质材料的制备难题、碱金属泄漏的潜在风险，以及功率密度不足等问题。虽然多目标优化方法和人工智能算法的应用能够在一定程度上提升其性能，但根本性的改进仍依赖于材料科学的突破。因此，碱金属热电转换技术在高超声速巡航飞行器上的应用目前主要停留在理论研究阶段，距离实际工程应用尚有较大距离。

2.4 固体氧化物燃料电池发电系统

固体氧化物燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的电化学装置，具有能量转换效率高、燃料适应性广和排放清洁等特点。SOFC运行温度通常在600~1000℃，与高超声速飞行器的热环境高度匹配。按照电解质类型，燃料电池可分为聚合物电解质燃料电池、碱性燃料电池和固体氧化物燃料电池等多种类型，其中SOFC凭借其更高的综合效率、更好的稳定性和多种燃料的适应性而备受关注。SOFC的比功率和功率密度均高于其他类型的发电系统，单独使用时电效率可达45%以上，与燃气轮机热电联产时总效率可超过85%。

SOFC的核心工作原理基于电化学反应：在阳极处，氢气和一氧化碳与氧离子反应生成水和二氧化碳并释放电子；电子通过集流层收集后经外部电路传输至阴极；在阴极处，催化剂促使氧分子解离成氧原子，氧原子捕获电子后转化为氧离子；电解质则负责将氧离子从阴极持续输送至阳极，形成完整的电化学循环。

在高超声速巡航飞行器领域，SOFC发电技术的研究近年来取得了显著进展。2023年，李程镐等提出了基于再生冷却的SOFC发电系统方案。该系统将碳氢燃料经油泵增压后送入再生冷却通道进行吸热裂解，裂解后的燃料进入SOFC阳极；同时，压缩空气通过引气通道输送至SOFC阴极，阴极和阳极的排气均被引导至燃烧室。按该文计算条件，系统发电功率达到兆瓦级别，发电效率为65%。然而，该方案面临燃料裂解不完全导致SOFC阳极碳沉积严重的问题。

为解决上述问题，Liu等于2024年提出了基于自热重整和阳极再循环的SOFC发电系统方案。来流空气经进气道增压后进入换热器冷却，冷却后的空气被分离器分成两部分，一部分进入重整器参与重整反应，另一部分进入SOFC阴极为电化学反应提供氧气；燃料与SOFC阳极部分尾气混合后经鼓风机增压进入重整器，空气、燃料和水蒸气在重整器内发生自热重整反应，将大分子燃料转化为以氢气为主的小分子气体。设计工况下，该系统输出功率为48.08 kW，发电效率达51.77%，发电系统总重量为77.09 kg，质量功率密度为0.62 kW/kg。

为进一步探究不同方案布局下SOFC发电系统的性能特性，Kuai等于2025年系统研究了不同外部重整方式及系统燃料条件对发电系统热力学性能的影响。结果表明，当重整器工作温度低于750℃、重整比为1.0时，甲醇单位燃料产氢率达到最优，且蒸汽重整反应热需求最低。在设定工况下，基于甲烷、甲醇、丙烷及十二烷的蒸汽重整系统，其发电效率普遍高于部分氧化重整系统。同年，Li等针对不同阴阳极循环模式下的SOFC发电系统性能开展了细致对比分析，发现在冷源条件受限的场景下，阴极循环的SOFC发电系统表现出最优的运行性能。Kuai等进一步指出，在飞行马赫数为5的阳极循环工况下，当循环比取1时系统发电效率最高可达52%。

与此同时，面向超声速运输场景的研究也在推进。2025年，Zhang等提出了采用SOFC驱动压缩机的预冷喷气发动机（PJEF）方案，将SOFC与预冷技术相融合，以实现高马赫数条件下的稳定飞行。研究表明，在马赫数3工况下，PJEF方案相较于传统预冷涡轮喷气发动机，比推力和比冲提升了10.12%，热效率提高了5.68%~9.69%。这一研究证明了SOFC不仅可用于机载发电，还可与推进系统深度融合，实现能量利用的多重收益。

SOFC技术在高超声速巡航飞行器发电应用中展现出三大显著优势：一是发电效率极高（可达50%以上），远超涡轮机驱动系统；二是无运动部件、运行平稳，系统可靠性高；三是燃料适应性强，可与再生冷却一体化集成。然而，SOFC机载发电仍面临两大核心挑战：一是系统集成方案的设计难题，包括火焰辅助燃料电池与超燃冲压发动机的直接结合和具有自热重整功能的复杂结构之间的权衡选择，以及重整过程中水蒸气供应问题的解决；二是发电性能与推进性能的平衡问题，SOFC阴极需要从进气道抽取压缩空气，可能影响发动机燃烧效率，如何在最优发电效率与最小推进性能损失之间取得平衡是必须解决的优化问题。

 

三、组合式机载发电系统

单一的机载发电技术往往难以同时满足高功率输出和轻量化设计的双重需求。涡轮机驱动系统面临较大的质量惩罚，而非涡轮机驱动系统在高功率输出方面存在挑战。因此，融合两者优势的组合式机载发电系统应运而生，旨在保障高功率发电的同时追求系统轻量化设计。当前，组合式机载发电系统主要采用较为成熟的半导体温差发电技术与基于动力循环系统的冷电联供技术相结合，也有研究者探索SOFC与涡轮机联合发电的方案。

2015年，石佳等提出了半导体温差发电技术与有机朗肯循环发电技术相结合的组合式发电系统。该系统以飞行器气动热为热源、电子设备舱排气为冷源，温差发电的冷端同时充当有机朗肯循环的蒸发器。在设计工况下，半导体温差发电模块输出功率72.4 W，有机朗肯循环输出功率100 W，系统总效率为19.8%。

2017年，Li等提出了半导体温差发电技术与基于再生冷却的开式朗肯循环发电技术相结合的组合式发电系统。该系统以发动机壁面为热源、碳氢燃料为冷源，运用热平衡方法对系统方案中冷却通道的温度和热流分布进行了计算，并进行了详尽的㶲分析。研究结果表明，半导体温差发电模块、涡轮机和冷却通道是系统中㶲损失最大的三个部分。在燃料流量0.4 kg/s条件下，半导体温差发电模块输出功率为14 kW，有机朗肯循环输出功率为47.7 kW，系统总效率为21.88%。

2019年，Cheng等提出了半导体温差发电技术与闭式布雷顿循环发电技术相结合的组合式发电系统。碳氢燃料首先在温差发电模块冷端和发动机壁面冷却通道中吸收热量，随后依次流经布雷顿循环的蒸发器和温差发电模块的热端，最终注入燃烧室。研究表明，随着冷却器燃料出口温度的下降，系统的功率增幅百分比也随之减少。在热电偶级数优化条件下，该方案的系统输出功率比单一闭式布雷顿循环发电系统提高了18.2%，其中温差发电模块输出功率约50 kW，闭式布雷顿循环输出功率约550 kW，系统总效率超过30%。这一数值在已报道的组合式系统中处于较高水平，显示了热电联供与余热梯级利用的巨大潜力。

值得关注的是，近年来SOFC与涡轮机耦合的联合发电系统因其高热电效率而备受关注。鉴于SOFC发电系统排气余热品位较高，为提升能量利用效率，Li等于2024年提出了一种SOFC与涡轮机耦合的联合发电系统。与单一SOFC发电系统相比，该方案引入冲压空气涡轮，将空气热力学参数调节至SOFC工作允许范围，同时提升系统发电量；并通过增设燃油蒸汽涡轮与重整气涡轮，实现系统余热的充分回收利用。研究结果表明，在能量梯级利用最优工况下，该系统输出功率可达537.13 kW，SOFC发电效率为56.79%。尤为重要的是，该发电系统对飞行器比推力与比冲的影响不显著——每100 kW发电功率对应的比推力最大降幅小于0.4%，比冲最大降幅小于0.8%。这一结果大大缓解了发电与推进性能之间的矛盾。

从技术成熟度来看，基于动力循环系统的冷电联供发电技术在地面应用方面已非常成熟，不仅能提供较高的热效率，还具备完善的组件设计和安全保障措施，使其成为高超声速领域极具发展潜力的机载发电解决方案。与单一发电系统相比，组合式发电系统能够对不同温度品位的热源实现分级利用，前一系统中未能转化为电能的余热可在后一系统中进一步回收，从而显著提升系统的综合能量利用效率。更重要的是，组合架构可以充分发挥不同发电技术在功率密度和输出能力等方面的互补特性，显著增强发电系统的运行灵活性与环境适应性。

然而，多种发电技术在高超声速巡航飞行器机载系统中的集成应用，也不可避免地提升了系统结构的复杂性。如何在有限空间内实现多种发电组件的高效布局与功能融合，并建立精细化的能量管理与协同控制策略，是当前面临的核心技术难题。与此同时，较高的初期投资成本也需在方案设计与工程实施阶段予以充分评估。

四、不同机载发电系统的优势与挑战

高超声速巡航飞行器对机载发电系统具有独特的约束条件：一是飞行器尺寸和重量受到严格限制，要求发电系统必须紧凑轻量化；二是冷源极为有限，主要依赖于飞行器携带的碳氢燃料；三是运行环境极端恶劣，系统各部件需承受高热量、强振动和变应力的综合作用。在上述约束下，各类机载发电系统展现出不同的优势和短板。

4.1 涡轮机驱动发电系统的优势与挑战

涡轮机驱动的机载发电系统，包括朗肯循环系统和布雷顿循环系统，是当前研究最为深入的技术路线。经过长期的发展与迭代，这些系统在地面应用方面已经积累了成熟的技术基础和丰富的工程经验。在极端高温条件下，该类系统表现出良好的运行稳定性和较高的热效率。在发电功率方面，涡轮机驱动系统具备输出兆瓦级电力的潜力，能够满足未来高超声速巡航飞行器的大功率用电需求。

然而，涡轮机驱动系统面临三大核心挑战：其一，存在显著的质量惩罚问题。无论是朗肯循环还是布雷顿循环，其关键组件如涡轮、冷却器、蒸发器和压气机等均为重型部件，不可避免地增加了系统的体积和重量。研究表明，闭式布雷顿循环的功率重量比约为0.2~0.8，开式布雷顿循环虽然功率重量比可达到1.8左右，但其工作能力却受限于燃料供给流量。这些质量增加会对飞行器的总体设计产生负面影响，尤其对于轻型飞行器而言，质量约束往往成为其应用的关键障碍。其二，冷源限制制约发电功率的提升。在地面应用中，基于动力循环的冷电联供系统可通过空冷或水冷等方式获得充足的冷源，从而轻松实现高功率供电。然而，在高超声速巡航飞行器的极端工况下，有效的冷源极为有限，通常只能依赖飞行器携带的碳氢燃料，这从根本上限制了发电效率和功率密度的提升空间。其三，多系统协同匹配与动态优化仍面临挑战。现有针对动力循环系统中换热器、泵体及透平等关键部件的研究多基于地面静止与稳态工况，对飞行器加速减速、姿态偏转及振动等动态因素考虑不足，而这些动态因素将显著改变系统工质的流动、压缩与膨胀特性，进而影响系统的瞬态响应性能和可靠性。

4.2 非涡轮机驱动发电系统的优势与挑战

非涡轮机驱动发电系统涵盖了半导体温差发电、磁流体发电、碱金属热电转换和固体氧化物燃料电池发电等多种技术，可根据是否需要额外燃料进一步划分为两种类型。

无需额外燃料的发电系统包括半导体温差发电、磁流体发电和碱金属热电转换技术。这三种技术的共同优势在于无需额外消耗机载燃料，能够将飞行器自身产生的废热直接转化为电能，避免了涡轮机驱动系统所需的重量级运动部件，具有结构简单、运行平稳、无额外碳排放的显著特点。然而，这三种技术各自面临独特的工程瓶颈。半导体温差发电技术的关键挑战在于有限的发电效率（通常仅为6%~15%）和材料在高温下的使用寿命问题。尽管地面应用中通过有效冷却可延长寿命，但在高超声速飞行器上面对超过1000 K的热源温度时，现有半导体材料难以维持长期稳定运行。磁流体发电技术的核心制约因素是超导磁体材料的工艺——现有超导材料需在极低温度下运行，而高超声速飞行器中仅有液氢燃料能够提供所需的低温环境，这极大地限制了其实用性；同时，较低飞行马赫数下气流电离不足的问题也需要昂贵的贵金属作为电离增强剂，进一步增加了成本。碱金属热电转换技术目前面临的主要挑战是功率密度不足，以及高性能固体电解质材料的制备难题和碱金属泄漏的潜在风险。目前，磁流体发电和碱金属热电转换的研究仍主要停留在理论验证和数值模拟阶段，距离工程化应用有较大差距。

需要额外燃料的发电系统以SOFC为代表。SOFC发电技术具有得天独厚的优势：一是发电效率极高，可达50%以上，远高于其他热电转换技术；二是运行温度与高超声速飞行环境匹配，无需额外的热源调控；三是燃料适应性强，可与再生冷却一体化集成，在起到热防护作用的同时实现高效发电。然而，SOFC机载发电系统面临两大关键挑战：一是系统集成方案的设计难题，需权衡火焰辅助燃料电池与超燃冲压发动机直接结合的简单结构和具有重整功能的复杂结构之间的优劣，若选择后者还需进一步研究重整过程中水蒸气的供应问题；二是发电性能与推进性能的平衡问题，SOFC阴极需要从进气道抽取压缩空气，可能影响发动机的燃烧效率，如何在最优发电效率与最小推进性能损失之间找到平衡点是必须解决的优化问题。

4.3 组合式发电系统的优势与挑战

组合式发电系统通过融合两种及以上发电技术，实现了单系统难以达到的综合性能。其核心优势在于能够实现多温度品位热源的分级利用，将前一系统中未能转化为电能的余热在后一系统中进一步回收，从而显著提升系统的综合能量利用效率。同时，组合式架构可以充分发挥不同发电技术在功率密度、输出能力和运行特性等方面的互补特性，显著增强发电系统的运行灵活性与环境适应性。研究数据表明，合理的组合式发电方案可将系统总效率提升至30%以上，发电功率较单一方案可提升92%以上。

然而，组合式发电系统的集成应用不可避免地带来系统结构复杂性的显著增加。多种发电组件的共存要求更高的设计协同性和空间利用效率，而多能源系统的能量管理与控制策略也比单一系统复杂得多。如何实现多种发电技术与飞行器平台的高效适配、建立精细化的多能源协同控制策略，是当前面临的核心技术难题。此外，系统的初期投资成本和全生命周期维护成本也远高于单一技术方案，这些经济性因素需要在方案设计与工程实施阶段予以充分评估。

 

五、未来展望与结论

5.1 未来主要研究方向

基于对现有研究成果的系统分析与综合评述，未来高超声速巡航飞行器机载发电系统的研究将聚焦于以下三大核心方向。

（1）大功率化方向

由于飞行器冷源有限且运行环境恶劣，确保系统稳定输出兆瓦级高功率尤为困难。核心问题包括：如何突破燃料热沉限制，实现发电系统的最优运行状态；如何实现发电与推进性能的最佳平衡。液氢作为具有巨大物理热沉和高单位质量热值的低温燃料，具有巨大的发展潜力。然而氢气分子小且单位体积热值低，储氢技术以及氢泄漏和安全问题尚待进一步研究。此外，发展机载综合热管理系统，优化燃油热沉、外涵道引气热沉以及冲压空气引气与飞行任务的匹配关系，对于解决高功率电力稳定输出的挑战至关重要。

（2）轻质化方向

由于飞行器对尺寸和重量有严格的限制，开发轻质高效的发电系统变得十分迫切。面临的主要挑战包括：在高热量、强振动和变应力的极端运行环境下，寻找既能适应这些条件又能保持轻薄的材料；在不牺牲功率需求的前提下实现发电系统的紧凑布局。针对涡轮机驱动的机载发电系统，其质量惩罚问题尤为突出，研究应集中在两个关键领域：一是组件材料的革新，例如采用高温超导线圈替代传统永磁体可在一定程度上降低发电机的重量，应用芳纶纤维和碳纤维等复合材料能显著减轻涡轮机组件的重量并保证所需的强度和刚度；二是系统结构的优化，利用整体叶盘和对转涡轮等先进结构优化技术可高效减少涡轮机的重量。此外，发展高效的拓扑优化设计方法和系统集成技术对于整体系统重量的减轻也至关重要。

（3）高效能化方向

随着未来高超声速巡航飞行器飞行时间的延长，研究能够长时间保持高效率的机载发电系统变得至关重要。系统必须能够快速且精确地响应电力负荷的剧烈变化，并确保在飞行器的不同飞行阶段为各部件提供适宜的电能。该领域的关键研究方向包括：自适应控制技术，使发电系统能够根据飞行工况自动调整运行参数；精准高效的能量管理技术，实现多能源系统的优化调度；发电系统健康监控与预测技术，保障系统在极端环境下的长期可靠运行。

 

5.2 综合评述与结论

先进机载发电技术是高超声速巡航飞行器实现长航时飞行的核心支撑，对提升装备战略能力具有重大意义。基于对现有研究成果的全面分析与系统评述，可以得出如下关键结论：

（1）在研究深度与广度方面，涡轮机驱动的机载发电系统均领先于非涡轮机驱动系统。在涡轮机驱动技术路线中，布雷顿循环的热力性能整体优于朗肯循环；氦气工质在能量转换效率方面占据明显优势，超临界二氧化碳工质则在系统集成度和紧凑化布局方面表现更佳。在非涡轮机驱动方向，半导体温差发电技术已建立了初步的研究体系并取得了可观的地面验证数据，而磁流体发电与碱金属热电转换技术尚停留在理论验证和数值模拟层面。随着高超声速巡航飞行器对长航时、大功率能源供给需求的持续攀升，以及超高温SOFC技术的快速发展，SOFC在机载发电应用中展现出重要的发展潜力。

（2）在技术路线适用性方面，涡轮机驱动的机载发电系统输出功率较大，适用于对电能需求较高的大中型高超声速巡航飞行器，但其显著的质量代价难以满足轻型飞行器的严苛质量约束。相比之下，半导体温差发电系统凭借体积小、质量轻及功率密度适中的特点，更契合小型高超声速巡航飞行器的应用需求，可作为现有电能源系统的有效补充。随着组合式发电技术的持续发展，有望在系统发电性能与结构质量之间实现综合性能的最优平衡。这一技术路线的演进特征表明，不同类型飞行器对发电系统的需求差异将推动技术路线的多元化发展。

（3）在技术挑战层面，各类机载发电系统面临的共性瓶颈包括：有限冷源条件下的热力学性能提升、极端高温环境下的材料与工艺可靠性、以及发电与推进之间的能量耦合优化。具体而言，涡轮机驱动系统应聚焦核心部件性能提升，适用于发电功率需求较高、质量约束相对宽松的大中型飞行器；半导体温差发电系统需着力开发耐高温、高效率的新型半导体材料，拓展分布式能量回收应用；固体氧化物燃料电池发电系统应在系统方案设计与发电/推进一体化等领域深化研究，实现与飞行器平台的高效集成；组合式发电系统的核心在于突破异构发电系统间的高效融合与协同优化技术。

（4）在技术成熟度方面，基于动力循环的冷电联供系统在地面应用中积累了丰富的工程经验，具备向高超声速领域转化的良好基础，但需重点解决质量惩罚和冷源限制两大核心问题。磁流体发电和碱金属热电转换的技术成熟度相对较低，其工程化应用仍需材料科学和制造工艺的重大突破。SOFC发电技术虽然在发电效率和运行温度匹配方面表现出显著优势，但系统集成方案设计和发电-推进协同优化仍是有待攻克的难题。

高超声速巡航飞行器机载发电系统的研究正处于从原理验证向工程化应用转型的关键阶段。尽管现有方案尚未达到工程设计的完善标准，但持续的技术创新和深入的系统研究正在不断推动该领域向前发展。未来，随着新材料、新结构和新技术在机载发电系统中的不断突破，高超声速巡航飞行器必将实现更为高效、轻质、可靠的综合电力管理，为长航时、高马赫数飞行提供坚实的技术支撑。

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