高超声速飞行器的发展是衡量国家航空航天实力的重要标志之一，近20年来，高超声速技术有了快速的发展，与此同时，机载能量管理的重要性也日益凸显。机载能量的综合管理包括机载能量之间的转移和转化，如热能、冷能、电能、化学能等，对降低油耗、减轻重量、缩小体积和降低成本等有着促进作用。电能是飞行器控制、供给、导航等辅助系统运行的基础，机动飞行、隐身、激光武器等技术需要消耗百千瓦甚至兆瓦级的电能，使电力生成成为高超声速飞行面临的问题之一；同时，电子元件在外部气动热和自身散热的共同作用下，处于恶劣的热环境中，强制风冷技术作为机载电子元件最常用的冷却方式，冷源空气的来源受限，因此，电子元件冷源空气供给是高超声速飞行器面临的又一问题。
　　为解决高超声速飞行器电力生成和冷源空气供给的问题，本文从机载能量综合利用的角度，基于空气涡轮和有机朗肯循环（ORC），构建了一个电冷联供系统，其基本原理是：空气涡轮发电的同时使空气大幅降温，ORC以空气涡轮出口空气为热源，对空气进一步降温并产出额外电能，既增加了功率又减小了燃料冷能的消耗，符合能量综合利用的思路。为确保空气涡轮高马赫条件的使用，采用燃料对空气涡轮进行冷却。首先针对构建的电冷联供系统开展了总体性能的研究，然后分别针对空气涡轮动叶冷却和ORC两大部分展开了详细的讨论。其中，针对空气涡轮动叶的冷却，研究了动叶冷却通道内碳氢燃料的流动和换热问题；针对ORC开展了实验研究，对ORC的基础性能和部件性能展开了详细的讨论，并进一步研究了透平膨胀器用于ORC的性能。
　　通过本文的设计和研究，最终得到了一个功率为118.9kW，且具有0.292kg/s低温空气流量的电冷联供系统。相比于空气涡轮方案，既提高了20.7%的发电量，又得到了低温空气，减少了17%的冷能消耗。
　　对于燃料冷却的空气涡轮，5g/s的流量即可实现单叶片190K以上的温降，吸热热流密度高达1.74MW/m2。进一步研究表明：动叶冷却通道内的流动特征主要由旋转数决定；在高速转动的加热通道内，离心力主导了管内压力，形成巨大的压力跨度，加之加热引起流体的温度升高，从而导致碳氢燃料物性的变化。密度的变化导致离心通道的离心力高于向心通道，表现出流动热加速效果，具有减小进出口压差的作用。
　　为研究电冷联供系统中ORC热源空气的温度的实际变化规律，定义了ORC的热源温度利用率，表征热源实际温降和理想最大温降的比值。通过实验研究了中低温热源条件下热源温度利用率的变化规律，发现减小热源流量可以提高热源的温度利用率，进而提高热源的温降，但循环效率可能降低。同时，实验得到了各部件的性能，研究了流动损失对ORC的影响，总结了131个实验工况，建立了理论和实际循环性能参数的线性关系。实验获得了良好的部件性能和总体性能：涡卷膨胀器最高等熵效率达95.4%；轮叶泵稳定性好且无泄漏，最大等熵效率为46.2%；实验获得的ORC最高热效率为6.1%，最高净功率为1.65kW。最后，研究了透平膨胀器用于ORC的性能，提出了调节喷嘴数以拓宽透平使用范围的方法，并用CFD方法探索了R245fa/R123混合工质透平的性能。