高超声速飞行器是下一代的可用于快速侦查、远程打击与空间运输的航空/航天器。为了实现推进剂供给、雷达侦测、飞行控制以及激光武器发射,高超声速飞行器需要大功率的电能供应,但常规的机载供电技术却由于种种限制而难以满足要求。针对高超声速飞行器巨大的电能需求与有限的冷源,本文发展了基于冷源梯级利用的联合发电系统方案。为了评估联合发电系统性能,预测系统的工作包线与性能边界,本文开展了如下研究:针对开式发电系统在高超声速飞行器上存在的不足,提出了利用闭式发电系统进行大功率热电转换的概念。通过对比分析认为闭式发电系统更适合应用于加速型高超声速飞行器,其能够在整个飞行包线提供更强的发电能力,但也面临有限冷源的问题,体现在冷源种类少、吸热能力不佳并且可用流量小。有限冷源下燃料流量、有效焓差、系统热效率共同决定闭式系统的功率。开展了有限冷源下闭式布雷顿循环的性能分析,对比不同冷源工质对闭式布雷顿循环性能的影响。结果表明,低温燃料作为闭式循环的冷源更具优势,而常温的碳氢燃料作为冷源时必须进行功率优化。在燃料冷量和系统热效率的共同作用下,对于发电功率存在最佳的冷源温差,并且简单回热构型比再压缩构型在系统组成和功率输出(219.6 k J/kg vs.192.5 k J/kg)上更具优势,但闭式布雷顿循环对冷源的利用程度较低。以半导体温差发电技术作为有限冷源下闭式循环发电系统的性能提升手段,发展了考虑冷热源流动方向温度变化的多级半导体温差发电器建模方法,分析了主要的性能影响因素并对级数进行了优化。结果表明,几何系数和加热通道入口温度对系统性能影响显著。相比于单级半导体温差发电器,多级结构在功率密度和热电转换率最高能够实现79.1%和96.5%的提升,且综合考虑发电性能和结构制造难度,级数为3或4最佳。此外,提出了利用液态金属作为第三流体进行闭式发电系统热能供给及发动机壁面冷却的概念,并与基于再生冷却的燃料热能供给模块进行了对比。结果表明,前者能够在保证壁面热防护的前提下获得更佳的热供给能力。以冷源梯级利用为指导思想,提出了闭式布雷顿循环-半导体温差联合发电系统方案并开展了性能评估。结果显示,引入半导体温差发电器能够有效提高有限冷源下闭式发电系统的功率,相比于单一闭式布雷顿循环,不考虑加热过程限制时功率提升百分比最高可达53.6%,与发动机耦合后为33.4%。本文为解决高超声速飞行器大功率供电问题提供了新的技术途径,为下一步开展详细论证与工程实践奠定了基础。