高超音速飞行器——以5马赫及以上速度飞行的飞行器——面临航空领域最严酷的环境之一：大气摩擦使其表面温度达到数千度。保护敏感电子设备并保持结构完整性需要复杂的冷却系统。但当今的热管理硬件笨重、庞大，且常常成为任务性能的限制因素。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的工程师正在开发一种新型散热器，可能改变游戏规则，利用增材制造和相变材料将冷却系统尺寸和重量减少超过50%。
高超音速飞行的热瓶颈
在高超音速下，飞行器周围的空气不会简单流过——它会压缩、加热并发生化学反应。由此产生的气动加热可使前缘温度超过2000°C，而内部航空电子设备若超过几百度就可能失效。传统的冷却解决方案，如主动制冷回路或液冷冷板，对于流线型、高速平台来说往往过大或过重。它们还消耗宝贵的电力并增加复杂性。
这一挑战对于小型高超音速导弹、拦截飞行器和超燃冲压发动机演示飞行器尤为严峻，因为每一公斤都至关重要。减轻冷却硬件重量的飞行器可以携带更多燃料、更多有效载荷，或飞得更远、更快。这就是为什么APL对紧凑、轻质散热器的推动引起了航空航天和国防领域的关注。
相变散热器的工作原理
相变材料（PCM）在从固态转变为液态时吸收大量热量，就像热海绵一样。与仅传导和散热的普通散热器不同，PCM可以在不显著升温的情况下吸收热量。这使其成为高超音速冲刺等高热量、短持续时间事件的理想选择。
典型的基于PCM的散热器将材料嵌入金属结构中，通常是铝或铜。当飞行器升温时，PCM熔化，储存热能并将连接的电子设备保持在临界温度以下。但熔化过程中的体积变化、许多PCM的低导热性以及坚固封装的需求历来限制了其应用。
增材制造作为游戏规则改变者
APL的创新在于散热器的制造方式。使用3D打印，工程师可以创建传统加工无法实现的复杂内部晶格几何结构。这些微结构可以调整以优化热流、管理PCM的膨胀，并纳入增加表面积的特性以提高热性能。
增材制造还简化了集成。在传统制造的系统中，散热器必须单独加工、密封并连接到热源。在APL的设计中，散热器、PCM封装和连接点可以打印为单个整体结构。这减少了接头、潜在泄漏路径和组装时间。它还使散热器能够共形——适应高超音速飞行器内部可用空间，而不是迫使设计者围绕热效率低的盒子调整布局。
重量和体积节省
据研究人员称，新方法将尺寸和重量均减少超过50%。这一减少意义重大，因为冷却可能占高超音速飞行器内部体积的相当大比例。用相变散热器替换标准冷板，占用一半空间，为制导系统、弹头或燃料腾出空间。同样，将热管理系统重量减半可能实现更大的有效载荷或延长航程。
该团队还在研究使用金属相变材料，这些材料比有机蜡具有更高的导热性，并且可以在更高温度下工作。这些材料与打印的微结构相结合，提供从热组件到PCM的高导电路径，有望实现更高的性能。
测试与验证
实验室测试对于证明任何热技术至关重要。据报道，APL工程师已将其3D打印散热器置于模拟高超音速加热曲线下，测量其如何将附着的测试电子设备保持在安全温度范围内。初步结果据说与计算机模型匹配，该模型能准确预测热浸透时间和温度均衡。
实验室还使用X射线计算机断层扫描和其他检查技术来验证内部通道和晶格是否按设计打印。打印中的任何微观缺陷都可能损害热性能或在强烈振动和热冲击下导致失效。通过将严格的质量控制与增材设计相结合，APL正朝着可飞行的硬件迈进。
超越高超音速：更广泛的国防应用
虽然高超音速飞行器是直接驱动因素，但底层技术可以使其他经历强烈瞬态加热的系统受益。可重复使用运载火箭可以在执行器支架和航空电子舱上使用打印的PCM散热器。飞机、卫星和海军舰艇上的高功率电子设备同样可以节省重量和空间。国防和航空航天行业一直在寻找将更多能力装入更小、更轻包装的方法。
在大气层内以高超音速机动的导弹防御拦截器必须在散热的同时改变航向。不干扰气动控制面的轻质散热器对此类系统是有价值的推动因素。即使对于较慢的超音速平台，体积效率和模块化的好处也很有吸引力。
混合方法
据报道，APL正在探索将相变散热器与其他方法相结合的混合冷却策略。例如，在稳态运行期间使用薄液流带走热量，然后在高脉冲瞬态峰值期间切换到PCM熔化。3D打印歧管可以在一个整体结构中支持两种模式。这种混合方法可以处理未来高超音速演示飞行器的巡航和冲刺条件。
此外，增材制造的设计灵活性允许工程师根据重力或加速度方向定制散热器的热性能。在经历高G机动的超音速飞行器中，熔融PCM的运动可以通过毛细结构来管理，使其保持在原位。打印的吸液芯纤维和挡板可以设计为在任何方向或高加速度下工作。
从实验室到飞行
将新技术从实验室工作台带到5马赫飞行器并非易事。散热器必须承受振动、冲击和极端压力梯度。它必须与燃料、液压油和其他系统材料兼容。并且必须满足严格的可靠性标准。
APL团队预计将在下一阶段继续进行环境测试，包括真空或高压气体下的热循环。最终，他们可能在高超音速测试飞行器上对散热器进行飞行测试，无论是作为专用实验还是作为更大航空电子托盘的一部分。如果成功，3D打印相变散热器可能成为未来高超音速计划的标准选项。
对未来航空航天系统的影响
冷却系统尺寸和重量减少50%或更多的承诺改变了车辆设计者的计算方式。它可能允许紧凑的空射高超音速导弹携带更强大的导引头或更好的对抗措施套件。它可以帮助无人高超音速研究飞机在小型机身中装入更多仪器。对于太空进入，打印的PCM散热器可能用于在再入期间冷却可重复使用助推器的航空电子设备。
创新溢出
增材制造与相变材料的结合是创新如何在一个领域产生涟漪效应的绝佳例子。相同的打印晶格结构可以应用于热电池、太阳能热存储，甚至地球上的建筑气候控制。例如，能源部门正在探索使用相变材料在非高峰时段存储太阳能发电厂的热量。高导电性、轻质打印容器可以提高此类存储系统的效率。
APL团队的研究仍在发展中，但初步概念已在航空航天主承包商和国防规划者中引起极大兴趣。保持高超音速领域的竞争优势是许多国家军事议程上的重要事项，而热管理是关键部分。大幅缩小冷却系统尺寸和重量的创新可能有助于实现更快、更远航程和更机动的高超音速飞行器。
在这个工程挑战往往需要奇特、过度设计解决方案的时代，这种方法表明，材料和制造的智能组合——利用已知物理和3D打印的新可能性——可以带来巨大胜利。虽然在这些散热器以高超音速飞行之前还有更多工作要做，但方向是明确的：高速航天的未来将由能够降温并保持轻量的创新者构建。
本文基于Interesting Engineering的报道。阅读原文。
Originally published on interestingengineering.com