高超声速飞行器在高速飞行时,会产生大量气动热使结构温度迅速上升。为防止热量过多进入机体内部威胁飞行安全,必须采取热防护措施控制飞行器内部温度在可接受的范围内。本文提出一种基于热电转换的点阵桁架防热能源一体化结构,以点阵桁架支撑结构代替内外面板之间的隔热材料,通过加设管内扰流元件进行强化换热结构优化,并在结构中布置发电装置以实现利用气动热发电的功能。本文主要研究内容如下:首先,对飞行器防热能源一体化系统开展了实验研究。测试了基于热电转换的点阵桁架防热能源一体化结构的热防护性能和发电性能。在外表面施加高热流密度边界条件时,内部结构最高温度低于目标温度60℃,热防护性能可靠,且不同工况下温差发电功率大于主动冷却系统的泵功消耗,从而实现主动冷却系统的自驱动性。其次,建立了点阵桁架前缘结构单元数学模型,将仿真结果与实验结果进行比较,外面板温度误差4.7%,内面板温度误差3.6%,压降和泵功误差3.55%,验证了计算模型的准确性。研究了冷却工质流速和种类对换热性能的影响,结果表明相比工质为煤油时,水的冷却效果较好,随着冷却剂流速增大结构温度降低速率变慢。再次,通过添加管内凸起和螺旋扭带扰流对点阵桁架结构热防护性能进行优化研究。管内凸起和螺旋扭带耦合时能明显改善系统热防护性能,在流速0.1m/s情况下,以煤油为冷却工质时,外面板和内面板最高温度较光管情况下分别下降了15.0%、34.5%;以水为工质时,二者分别下降了14.4%、17.8%。最后,研究了分级式和内嵌式防热能源一体化结构的性能。探究了不同材料时的影响。结果表明钴化物热电材料和单层热电结构发电性能更好;嵌入热电装置对内面板温度影响不大。