點陣夾芯主動冷卻結構發展現狀與展望

袁運飛，廖俊，宋佳文，羅世彬，劉建

（中南大學航空航天學院，長沙410083）

0 引 言

高超聲速飛行器的速度大于5

Ma

，是各國重要的發展戰略方向之一。發動機進氣道的絕熱壁溫接近1 800 K，未經冷卻的燃燒室溫度超過2 700 K。并且隨著飛行馬赫數的增大，發動機將面臨更加惡劣的熱環境，即使當前最先進的耐高溫材料也難以承受如此惡劣的熱環境。此外，發動機燃燒室與噴管壁面所承受的峰值熱流密度為10～20 MW/m，而內部的復雜結構、燃燒的脈動和震蕩極易造成局部熱流密度過大、壁面溫度過高，無法滿足長時間工作的需求，必須進行主動冷卻。

國內外近年來的研究與技術積累證明了再生主動冷卻是目前高超聲速飛行時對發動機最有效的主動冷卻方式，也是應用最廣泛的主動冷卻技術。再生冷卻結構傳統的制造過程是在燃燒室內壁銑槽，然后緊貼內壁外沿焊接或電鑄高強度金屬材料（通常選用鎳基合金），成型工藝難度大，廢品率高。此外，槽道式主動冷卻結構在超燃沖壓發動機中的應用仍然存在一系列問題：換熱效率低，所攜帶的燃料不足以滿足發動機冷卻需求；結構無法滿足飛行器的輕質化要求；細長、互不連通的冷卻通道容易造成“熱點”問題，局部傳熱惡化乃至使結構喪失承載能力。目前，各國研究人員提出各種主動冷卻的強化換熱結構，但是大多仍基于傳統槽道式方案。新一代高超聲速飛行器需具備輕質化和可重復使用等特性，槽道式結構已經難以滿足需求，有必要在先進材料、設計或制造技術的基礎上，探索新的主動冷卻結構。

金屬點陣結構材料，又稱為“晶格材料”，是一種新型多孔金屬材料，主要特點為具有規則的形狀且呈周期排列。金屬點陣夾芯結構是一種內部填充金屬點陣結構的板材，具有比強度高、比剛度高以及斷裂韌性強等優良的力學性能，而且在散熱、吸能以及減震等多方面存在潛在優勢，成為21世紀熱點研究的結構前沿之一，與當前材料、結構以及多功能一體化協同的設計理念符合。

將點陣夾芯結構與主動冷卻方案結合，制造點陣夾芯式的主動冷卻結構，應用于燃燒室主動冷卻，增大冷卻劑與固壁的接觸面積，對冷卻劑進行擾流，進而增強冷卻效果，有望滿足發動機燃燒室的更高熱防護需求。這種方案為主動冷卻結構的先進設計和一體化制造提供了一種全新方法，冷卻性能更佳、結構承載能力更強、可靠性更高，具有極高的研究價值。

本文從金屬點陣結構的制備工藝出發，總結傳統機械加工工藝與先進增材制造技術優缺點，通過文獻調研歸納總結影響點陣夾芯主動冷卻結構換熱性能的因素，以及其在超燃沖壓發動機中的潛在應用價值，針對其工程應用提出下一步的發展建議。

1 點陣夾芯結構制備工藝

點陣結構作為周期性結構，具有良好的可設計性，可根據不同的結構功能進行不同的設計，從而抵抗更高的應力，因此更適合用于在機械和熱載荷共同作用下工作。點陣夾芯主動冷卻結構作為新型的熱防護結構方案，其工程應用與制備工藝的快速發展息息相關。制造技術和材料的進步提供了顯著改善點陣結構成型質量和效率的可能性。目前點陣結構的主要制備工藝分為傳統制造技術與增材制造技術兩類。傳統的制造技術包括熔模鑄造、金屬絲編織和金屬板折疊等。增材制造技術，主要包括激光選區燒結（Selective Laser Sintering，簡稱 SLS）、激光選區熔化（Selective Laser Melting，簡稱SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Melting，簡稱 EBM）等。

1.1 傳統機械加工工藝

（1）熔模鑄造

熔模鑄造在點陣夾芯結構制備工藝中應用廣泛，是一項成熟的近凈成型鑄造工藝，具有尺寸精度和表面光潔度高、機加工少的特點。點陣夾芯結構的制作過程主要分為三步：第一步制作模板，采用不耐熱的高分子材料（如石蠟）制作模板骨架；第二步涂覆漿料，在模板骨架上涂覆漿料，干燥后利用其可揮發性將模板骨架去除；第三步鑄模成型，在空模中注入液態金屬，凝固后清除模板即可成型。

熔模鑄造通常用于制造一些簡單的點陣結構，采用熔模鑄造法制造的Kagome 型點陣夾芯板如圖1 所示，材料為銅鈹合金，芯體相對密度為 2%。

圖1 熔模鑄造法制造的Kagome 三明治結構體［8］Fig.1 Kagome sandwich structure manufactured by investment casting［8］

對于一些復雜的點陣胞元結構，支柱路徑復雜，其模具設計困難、生產周期長、液態金屬注入易造成鑄造缺陷。同時因模具制作生產工藝復雜、制造成本高，直接影響了產品的開發效益，無法適應市場復雜多變的需求。因此熔模鑄造適用于小批量生產外形復雜的產品。

（2）金屬絲編織

金屬絲編織技術與熔模鑄造相比，具有工藝簡單、制造成本低的優點，形成的點陣結構形態易于控制，缺陷率較低及強度高。用于編織點陣結構的金屬絲為實心絲體，編織前須將絲體預卷邊，之后按照不同的角度將已預卷好的金屬絲堆疊成型后，將結點進行瞬時液相連接、擴散連接或者釬焊連接。M.G.Lee 等提出“cross struss”結構，如圖2 所示，可通過金屬絲編織形成。金屬絲編織無法制造一些支柱交錯復雜的點陣單元結構，因此難以滿足點陣夾芯主動冷卻結構的復雜設計要求。

圖2 采用金屬絲編織的cross struss 結構［16］Fig.2 “cross struss”structure woven with metal wire［16］

（3）金屬板折疊

金屬板折疊通過在定義的多個折疊軸處的局部彎曲，從扁平狀原材料中塑造點陣結構。折疊金屬板材的一般挑戰有形成半徑、彎曲軸處出現的硬化效應以及設計合理的刀具。通過此技術，可以創建復雜的拓撲結構（如圖3 所示）。這種結構的幾何形狀是通過折疊定義，因此需要設計精確的折疊算法。此外，由于折疊過程只在彎曲軸處局部成型，工件無整體塑性變形。

圖3 折疊后的3-MBA 結構（仍固定在工具上）［18］Fig.3 Folded 3-MBA structure after folding process（still fixed to the tool）［18］

在這三種傳統制造技術中，金屬板折疊相對簡單，成本效益更佳，可適用于批量生產。已經采用它來制造多種類型金屬點陣結構，包括四面體型、金字塔型和 X 型點陣結構。

然而，傳統的制造技術往往無法同時滿足一些結構對精度和幾何復雜性的要求。近年來，激光選區燒結、激光選區熔化、電子束選區熔化等增材制造技術的發展，使高精度金屬點陣結構成為現實，胞元的幾何精度已降低到亞毫米級。

1.2 先進增材制造技術

增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）技術與傳統制造技術理念不同。傳統的制造技術為“去除型”制造，一般是在原材料的基礎上，去除多余部分，再通過焊接等裝配工藝組合成最終產品。增材制造又稱3D 打印，是通過增加材料的方法形成最終產品，基本不存在對原材料的浪費，成本大幅降低。相較于傳統加工技術，主要優勢為能夠實現自動化生產、制造任意復雜結構零件、個性化訂制以及對市場需求快速響應。增材制造具有的上述特點，與新一代高超聲速飛行器的使用需求深度契合。

（1）激光選區燒結

1989 年，激光選區燒結（SLS）技術由美國德克薩斯大學Deckard 首先提出，是一種基于粉末床的鋪粉成型技術，以激光為能源，以粉末為原材料，粉末在激光照射下達到固液共存的狀態，按零件設計的三維模型切片形成的截面掃描成型，原理為通過固相重排進行粘合固相成型，未成型的粉末繼續支持下一截面的成型并逐層堆積，最終實現復雜產品的成型。其特點是制造工藝較為簡單，成型精度可達50 μm，最大成型尺寸為1 200 mm×1 200 mm×600 mm。SLS 對粉末質量的要求很高，粉末質量差的話容易導致零件內部疏松以及表面粗糙度大等缺陷。通過SLS制造的金屬零件強度、精度低，無法滿足要求。目前應用SLS 直接制造金屬零件較少，主要在精密鑄造中應用SLS 成型技術進行鑄模。因此目前用SLS 制造金屬點陣主動冷卻結構同樣難以滿足使用要求。但是，SLS 卻是目前最受歡迎的聚合物3D 打印技術之一。

（2）激光選區熔化

激光選區熔化（SLM）技術由德國Fraunhofer研究所在1995 年提出，是在SLS 基礎上發展而來的。SLS 和 SLM 所用能源皆為激光，不同的是SLM 的金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經冷卻凝固而成型，主要步驟有鋪粉和熔化。首先送料筒上升，由鋪粉滾筒將金屬粉末運至工作平臺；然后掃描系統，根據三維實體模型生成的切片輪廓控制激光束選區融化該層金屬粉末；最后循環往復，通過逐層堆積形成零件，成型原理如圖4 所示。

圖4 SLM 成型原理［22］Fig.4 Forming principle of SLM［22］

近年來，SLM 技術發展迅速，英國MCP 公司在 2003 年 首 次 推 出 了 SLM 打 印 機；Aerojet Rocketdyne 公司采用SLM 工藝制備的火箭發動機燃燒室一體化成型了200 多個隨形冷卻流道。我國SLM 技術相較于國外起步較晚，但是發展較為迅速。目前我國鉑力特公司推出的SLM 工藝設備BLT-S500 成型尺寸已達400 mm×400 mm×1 500 mm；而西北工業大學黃衛東教授團隊研制的SLM 設備成型尺寸可達600 mm×600 mm×600 mm。與SLS 相比，SLM 技術成型精度高，能夠達到10 μm，同時其力學性能好、材料利用率高，已被成功用于鈦合金、不銹鋼及鎳基高溫合金零件的成型。由于SLM 高柔性化特點，SLM 技術被認為是制備高精度高性能金屬點陣結構的最有潛力的方法之一。

（3）電子束選區熔化

電子束選區熔化（EBM）最早由瑞典Arcam公司和Chalmers 工業大學在20 世紀90 年代提出。EBM 與SLM 原理基本相似，同為基于粉末床的鋪粉成型技術，包括鋪粉與熔化等步驟。只不過SLM 的能量源為激光，EBM 能量源為高能電子束。EBM 的成型過程在真空環境中，通過計算機得到的三維實體輪廓信息控制電子束選區掃描熔化鋪展在粉末床上金屬粉末，形成熔池相互熔合并凝固，逐層堆積直至形成一個完整的金屬零件實體。與SLM 技術相比，EBM 的能量利用率更高，可以制造難熔金屬零件，但是成型尺寸受到粉末床、真空和預熱系統的限制，目前最大成型尺寸為 350 mm×380 mm，由 Arcam 公司的 Q20 設備制造。同時，EBM 相比于能夠更靈活的選擇粉末粒徑，但成型精度相對較低，為0.2 mm。電子束對金屬粉末預熱后會變成輕微燒結狀態，制造結束后的未燒結粉末形成毛刺需要通過噴砂等工藝去除，點陣結構的內部造型復雜，存在毛刺難以去除的問題。

目前，EBM 技術已廣泛應用于航空航天和醫療等領域中輕質化結構復雜構件的成型。自Arcam 公司在2003 年推出首臺商用的EBM 設備以來，清華大學也在2004 年自主研發了EBM150和EBM250 設備，掌握了鋪粉、電子束精確掃描、成型控制等關鍵技術。在應用方面，美國GE 公司利用EBM 技術制造鈦鋁合金低壓渦輪葉片，成本與精密鑄造相近，但質量減輕了30%。北京航空制造工程研究所則針對飛行器結構輕質化需求，采用EBM 技術研制的鈦合金點陣夾芯結構件如圖5 所示。

圖5 鈦合金點陣夾芯結構件［32］Fig.5 Titanium alloy lattice sandwich structure［32］

傳統的制造技術中，熔模精密鑄造得到的鑄件尺寸精度高、粗糙度小，減少了機加工步驟，但總的來說其生產周期長、工藝復雜，對于復雜結構模具設計困難、鑄件質量受眾多因素影響，因此對精密鑄造的應用和發展限制較大。增材制造技術能夠快速加工復雜的結構，與傳統鑄造技術相結合，解決無模具快速鑄造問題。模具的設計制造采用增材制造技術，能夠快速獲得復雜結構熔模，降低金屬材料復雜點陣結構零件的制造成本，并且可支持小批量生產。

2 點陣夾芯結構換熱性能研究現狀

2.1 點陣夾芯結構換熱研究方法

從理論上講，點陣夾芯主動冷卻結構通過增加接觸面積和改變流動狀態來提高換熱效率，這一點已經通過仿真和實驗得到了證明。點陣夾芯結構不同于槽道式主動冷卻結構，無論選擇哪種胞元結構，四面體或者金字塔等，他們的結構都比槽道復雜得多。這也就意味著通過點陣胞元的熱傳導、冷卻劑與推力室壁之間的對流換熱都變得更加復雜。為了設計出能夠滿足冷卻需要的點陣夾芯主動冷卻結構，便需要對其換熱特性有著充分的認識，通過理論指導設計，這樣在給出某種飛行器的工況時，能夠快速設計出最優的點陣夾芯主動冷卻結構。

目前針對點陣夾芯結構換熱的試驗研究較少。金利騰對金字塔結構熱交換器進行試驗研究，發現隨著比表面積的增大，換熱效率與壓力損失均隨著增大。除了觀察得到的試驗現象，研究人員希望通過已有試驗數據，建立關系式對點陣結構進行換熱性能預測與評估。K. J. Maloney等以空心鎳微點陣結構為基礎，構成一種微尺度換熱器并進行試驗，評估其換熱性能，基于已建立的相關性，分析各種微點陣特征尺寸（節點間距、內徑等）的影響。在對具有垂直支柱的面心立方胞元通道（FCCZ，如圖6 所示）的換熱和應力計算方面，S. Yun 等提出一種基于熱—流—固相互作用（TFSI）的單向耦合模型，得出FCCZ 晶格通道的最佳孔隙率為0.8。

圖6 FCCZ 點陣通道示意圖［37］Fig.6 Schematic diagram of FCCZ lattice channel［37］

由于試驗研究比較復雜，測量方法有限，當前數值計算仍是研究點陣夾芯主動冷卻結構的主要手段。CFD 計算作為數值研究中的重要方法，考慮到計算時間和成本的問題，J.Ernot 等建立了一種分析模型，能夠快速和經濟有效地預測復雜點陣結構的傳熱。

雖然換熱性能是評估點陣夾芯主動冷卻結構重要參數，但是壓力損失也是必須考慮的影響因素，尤其是點陣結構相對于槽道結構更加復雜，對冷卻劑的阻力增大。與槽道式結構進行對比，白曉輝等研究得出在相同 Reynolds 數條件下，幾種點陣夾芯結構（Kagome 型、四面體型和金字塔型）的換熱效果均優于槽道式結構，但摩擦阻力隨之增大，最終導致流體壓力損失明顯增大；向羽等以鈦合金 TC4 為原材料，采用 SLM 技術制造了多孔輕質空氣舵樣件，通過數值計算發現空氣舵內部流體的壓力損失隨流速的升高而增加，雖然換熱效果有所增強，但對壓強的影響更明顯。然而，并非所有點陣結構設計都會造成壓力損失增大，Shen B 等發現在渦輪葉片后緣楔形流道引入銷釘和點陣結構，設計四種通道結構如圖7 所示，與原結構相比，新結構的努塞爾數提高明顯，但壓力損失基本相同。若是能夠通過技術手段降低摩擦阻力，點陣夾芯結構比傳統的槽道式結構具有顛覆性優勢，應用于新型高效緊湊的冷卻系統中。

圖7 渦輪葉片尾緣的楔形通道示意圖［41］Fig.7 Schematic description of wedge-shaped channels representative of a turbine blade trailing edge［41］

由以上分析可知，點陣夾芯結構作為21 世紀興起的先進功能結構，國內外已進行大量的研究工作，主要集中在對點陣結構傳熱機理分析，換熱性能的評估、預測等。在熱性能方面，點陣夾芯結構的換熱效果明顯增強，壓力損失卻有所增大。因此，希望通過試驗與數值研究所建立的關聯式指導設計出換熱性能好、壓力損失低的點陣夾芯結構。

2.2 點陣胞元類型的影響

點陣胞元類型是影響主動冷卻性能的重要因素，常見的胞元類型有金字塔型、四面體型、Kagome 型，每一種都具有不同的熱工及機械性能。各國研究人員已對各種不同胞元進行了充分的研究，進而了解其換熱性能。

金屬板折疊法可以通過控制沖壓位置偏移距離加工出不同類型的點陣結構，沖孔定位位移的定義如圖8 所示。沖壓位置位移通過平行一次流、反向旋轉渦和二次流來強化換熱，Jin X 等的研究結果表明整體熱工性能由劣到優依次為：金字塔形（

s

/

d

=0）、四分之一沖孔位置移位的胞元（

s

/

d

=0.25）、X 型胞元（

s

/

d

=1）和其他胞元結構；Yan H 等得出相同的結論，X 型胞元換熱性能優于四面體胞元，努塞爾數提高了38%，與Kagome胞元相當。

圖8 無量綱沖孔定位位移的定義說明（s/d）［10］Fig.8 Definition of dimensionless punching positioning displacement（s/d）［10］

與上述胞元類型相比，八隅體（Octet Truss Lattice，簡稱OTL）點陣結構顯然更加復雜，其胞元結構如圖9 所示。研究結果表明八隅體點陣結構有助于拓撲優化和多種功能的集成，使設計具有很高的靈活性，是一種很好的多功能換熱結構。Krishnan 團隊對不同孔隙率的鋁合金（Al-Si10Mg）八隅體結構，進行了實驗研究，對其有效導熱系數、滲透系數、慣性系數、摩擦系數和壁面對流換熱進行了測量，發現在給定孔隙率下，八隅體點陣結構的歸一化滲透率比隨機泡沫高20%～80%，表現出與隨機泡沫類似甚至更好的流動和換熱特性。

圖9 八隅體胞元［37］Fig.9 Octagon body lattice structure［37］

基于八隅體點陣結構派生出菱形—八隅體點陣結構，由18 個正方形和24 個三角形面組成，每一個正方形與相鄰的正方形以45°相連，形成一個菱形四面體核，其胞元結構如圖10 所示。J.Y.Ho等采用SLM 法制備不同尺寸的菱形—八隅體點陣結構換熱器，在風洞試驗裝置和熱水循環回路中進行試驗，對換熱器的換熱和壓降性能進行評價，結果表明菱形—八隅體胞元結構具有更好的對流換熱性能，與翅片管換熱器相比，SLM 制造的菱形—八隅體單元明顯提高了換熱器的熱工性能，且與隨機泡沫的壓降相同。

圖10 菱形—八隅體胞元結構原理圖［45］Fig.10 Schematic diagram of the structure of the rhomboid-octagonal cell［45］

由上述分析可知，胞元類型在很大程度上影響了點陣夾芯結構的換熱性能，一般情況下，Kagome 型與X 型胞元換熱效果相當，優于金字塔與四面體型胞元。壓力損失并非簡單地隨著胞元結構變復雜而增大，利用點陣結構優良的可設計性，復雜如八隅體胞元也具有良好的流動性。因此，在制備工藝滿足設計要求的情況下，可開發出具有高效換熱及低流阻的點陣夾芯結構。

2.3 點陣設計尺寸的影響

對于同一種胞元類型可用不同的制備工藝，也有不同的設計參數，這兩個方面都對點陣夾芯主動冷卻結構的熱工性能有一定影響。對于同一種類型的點陣結構，幾何設計參數主要包括支桿的截面形狀、截面直徑及與夾芯板的角度。Dong L 等設計了支桿截面形狀為圓形、矩形和橢圓形的面心立方（FCC）點陣結構，如圖11 所示。在相同雷諾數下，橢圓型FCC 點陣和矩形FCC 點陣的換熱性能分別比圓形FCC 點陣高27%～31%和25%～26%；而閆國良等研究了更多尺寸參數對點陣換熱特性的影響，結果表明，支桿長度和流動方向單胞個數對結構換熱性能影響較大，且Kagome 型結構換熱性能明顯優于四面體與金字塔型。

圖11 FCC 晶格結構設計變量說明［48］Fig.11 FCC lattice structure design variable description［48］

在實際的設計中，點陣夾芯主動冷卻結構通常需要進行優化，以獲得最優的性能。對于優化設計，徐亮等采用翅片法推導努塞爾數，對點陣夾芯結構的換熱性能進行評價，同時以點陣結構的桿件直徑和桿件傾角為設計變量，采用NSGA-Ⅱ遺傳算法對金字塔和X 型結構進行多目標優化；許琦等針對航天器結構承載、密封及輕質化設計等苛刻設計要求，基于四面體結構的微觀單胞構型，對點陣夾層圓柱殼結構進行單目標及多目標優化設計，獲得了換熱、應力和質量的最優解集。

在對點陣夾芯結構設計時，若考慮單個胞元設計尺寸的影響，需要分析的尺寸較多，影響復雜，但從宏觀參數考慮，點陣夾芯結構的孔隙率及胞元體積大小對換熱性能影響的規律較易得出。J.Y.Ho 等研究結果表明，在一定范圍內，隨著孔隙率的增大，點陣夾芯結構的換熱效果增強；S.Yun 等根據提出的單向耦合模型，得出 FCCZ 晶格通道的最佳孔隙率為0.8。因此，對于同種胞元類型結構，存在一個孔隙率使得換熱效果最好。而 在 相 同 孔 隙 率 下 ，Shen B 等比 較 了 單 層Kagome 芯與金屬絲編織Kagome 芯夾層板（WBK）（如圖12 所示）的性能差異。與具有相似壓降的WBK 夾芯板相比，Kagome 夾芯板的努塞爾數要高出26%～31%。

圖12 不同工藝制備的夾層板的詳細說明［52］Fig.12 Detailed description of sandwich panels prepared by different processes［52］

2.4 點陣結構與其他換熱結構的結合

由于傳統的槽道式主動冷卻結構難以滿足高超聲速飛行苛刻工況下的冷卻需求，各國研究人員將點陣夾芯結構與槽道式結構相結合以提高換熱性能。Ma Y 等將金字塔胞元插入到槽道夾芯板中，如圖13 所示，金字塔胞元的插入改變了槽道夾芯板內的流體流動，使槽道夾芯板的整體努塞爾數提高了150%；與直接引入點陣結構不同，Wang X 等將傳統的銷釘翅片與點陣結構相結合提出網格化銷釘翅片，與實心銷釘翅片相比，網格化銷釘翅片的整體壓力損失略有改善，并且在減重方面，采用網格化銷釘翅片可以減小散熱器的體積約 14%～17%；Bai X 等則對矩形通道、垂直銷釘、交錯垂直銷釘、交錯傾斜銷釘、Kagome胞元、四面體胞元和金字塔胞元七種夾芯結構進行了三維強制對流數值實驗，對不同結構進行了換熱性能評價，根據評估結果設計出迎風彎曲結構，即胞元向迎風方向彎曲，并以交錯的方式排列，這種新型結構表現出良好的換熱性能。

圖13 矩形槽道與點陣結構的結合［53］Fig.13 Combination of rectangular channel and lattice structure［53］

與槽道式主動冷卻結構增強換熱的思路相同，增強元件的添加同樣會改變結構的換熱特性。為了充分利用 X 型胞元引起的二次流，Li Y 等在X 型胞元夾芯板端壁引入酒窩、突起和銷釘三種結構（如圖14 所示），發現在不同的區域增加不同的增強元件對換熱效果有著不同的影響，有的甚至減小了整體面板的換熱。而起到增強換熱的元件，主要有兩方面原因：一是增大了整體面積平均努塞爾數，二是增大了傳熱面積。在X 型胞元上游安裝銷釘翅片的換熱性能最好，也是由于銷釘翅片的引入同時增大了面積平均努塞爾數與傳熱面積。同時，其摩擦系數相比于原結構沒有明顯增強。因此，在同時考慮壓降和換熱效果的情況下，X 型胞元和增強元件的合理組合可以提高夾芯板的整體熱性能。

圖14 X 型胞元夾芯板和三種增強元件［55］Fig.14 Schematic description of X-lattice sandwich panel and three enhancement elements［55］

由以上分析可知，增強換熱性能有時并不需要太復雜的結構，通常情況下可以根據原結構的整體流動狀態在合適的位置添加擾流元件來改變流體的流動，通過增大流固耦合面的平均努塞爾數來增強換熱。但若只是增加了傳熱面積而使得換熱得到增強，就需要充分考慮增加的固體體積與質量是否起到相應的效果。因此，相比設計更復雜的點陣結構，這種解決方案當前在工程上相對容易實現。

3 點陣夾芯結構在超燃沖壓發動機中的潛在應用與挑戰

在高超聲速飛行器研究過程中，超燃沖壓發動機的主動冷卻一直是關鍵技術。相比于液體火箭發動機，主動冷卻結構在超燃沖壓發動機中進行應用的主要限制為，隨著飛行馬赫數的提高，用于主動冷卻的燃料嚴重不足，無法滿足高馬赫數下飛行器的冷卻要求，因此需要設計出更加高效的冷卻結構。同時，高超聲速飛行器的下一步發展面臨著結構系數的挑戰，這意味著需要盡可能減小超燃沖壓發動機的結構質量，實現輕質化。在發動機推力不變的情況下，若能實現發動機的輕質化設計，便能夠提高推重比、增強飛行器的機動性。在飛行器總重不變的情況下，若能實現發動機的輕質化設計，飛行器將能夠攜帶更多的燃料，增加航程，同時還能解決熱防護中冷源不足的問題。

針對主動冷卻結構在超燃沖壓發動機中進行應用存在的問題，重點是需要設計出更加高效及輕質的冷卻結構。而點陣結構作為21 世紀的熱點研究之一，具有輕質、高效換熱、比強度高、比剛度高的特點。將點陣結構應用于超燃沖壓發動機的主動冷卻結構，能夠有效地解決冷卻中存在的問題。

Yu J 等以超燃沖壓發動機燃燒室冷卻為背景，對點陣結構在超燃沖壓發動機中的應用進行研究，發現與傳統冷卻結構相比，點陣結構的降溫幅度可達33.6%，避免了冷卻劑熱熔解導致冷卻通道堵塞的現象，同時滿足強度要求；Zhang X Z等、Bai X 等在給定孔隙率下對多種換熱結構進行比較，結果表明，點陣結構與槽道結構相比，換熱效果明顯增強，達到實現超燃沖壓發動機輕質化的目標。因此，點陣夾芯主動冷卻結構是實現高超聲速飛行器防熱、承載、輕質等一體化協同設計理念的首選結構。綜合考慮點陣夾芯主動冷卻結構的性能，在設計過程中進行換熱、承載、輕質化等性能評估，使其滿足發動機在復雜工況下的使用要求。

目前，對于點陣夾芯主動冷卻結構的研究已有很多，但是在超燃沖壓發動機背景下的研究較少。通過對點陣夾芯主動冷卻結構熱工性能研究現狀的分析，得到當前的研究主要集中在兩方面：一是根據點陣結構幾何、熱傳導特性，建立分析模型，對點陣結構進行換熱性能的評估、預測；二是直接對各種點陣結構進行換熱數值模擬，根據現象（努塞爾數及二次流）分析導致換熱性能增強的原因。研究的工況具有以下特點：（1）冷卻劑為空氣或水；（2）熱端部件熱載荷的平均熱流密度較低（小于 1 MW/m）；（3）胞元結構尺寸偏大（大于10 mm）。而超燃沖壓發動機的冷卻劑通常為煤油或液氫，燃燒室燃氣側平均熱流密度較大（2～10 MW/m），燃燒室壁總厚度較小（小于5 mm）。目前針對超燃沖壓發動機主動冷卻典型工況的研究較少，若需要將點陣結構成功應用于超燃沖壓發動機，還需要進行大量的研究。此外，點陣夾芯結構研究主要關注換熱性指標，即溫度和壓降，對于質量和應力的評估涉及較少。在超燃沖壓發動機主動冷卻結構設計過程中，需要重點關注的性能指標有換熱性、承載性及輕質化。然而，這三個指標具有矛盾性，很難同時得到滿足。若要滿足主動冷卻結構的輕質化設計，便犧牲了一定的質量，將會降低結構的剛度和強度。主動冷卻壁板沿徑向存在較高的溫度梯度，在某些位置極易產生應力集中，進而導致結構的破壞。這便需要設計人員對點陣夾芯主動冷卻結構的綜合使用性能進行評估，找出符合超燃沖壓發動機的最佳設計方案，同時滿足冷卻、承載、輕質等要求。

隨著增材制造技術近些年的迅速發展，使點陣夾芯結構的在超燃沖壓發動機中的應用成為可能 。 在 2017 年 4 月 ，Aerojet Rocketdyne 公 司 便 以銅合金為材料，采用增材制造技術加工出了全尺寸燃燒室。而點陣結構具有優異的可設計性，為超燃沖壓發動機的設計帶來了更高的自由度，使得超燃發動機更緊湊及輕質化。同時，在進行超燃沖壓發動機設計時，應考慮增材制造與傳統加工工藝的區別，考慮其逐層堆積的特性，與原點陣結構相結合設計合理的支撐結構，盡量減少后續的去除工作。同時，金屬三維點陣結構內部特征復雜，制備過程中可能產生裂紋、未熔合、斷層等缺陷，需要有針對性地進行檢測定位。工業CT技術清晰、直觀地呈現被檢測物體內部結構和缺陷，但是人工篩選和判定效率極低。點陣夾芯主動冷卻結構的工程應用需要突破內部缺陷機器檢測方法，利用機器學習手段實現內部缺陷的快速、準確、智能檢測識別和定位。

4 研究展望

主動冷卻結構在超燃沖壓發動機中的應用面臨巨大挑戰，而將點陣結構應用于燃燒室的主動冷卻結構中，能夠有效地解決超燃沖壓發動機冷卻劑不足和輕質化的問題。近年來點陣夾芯主動冷卻結構研究取得了較大的進步，已經能制備出不同胞元結構的點陣夾芯板，但距離將點陣結構應用于超燃沖壓發動機主動冷卻還有許多問題需要解決，主要有以下三個方面：

（1）制備工藝對于點陣夾芯結構的性能具有較大影響。理論上可以設計出高性能的點陣夾芯結構，但是由于制備工藝不成熟，實際制造出來的結構通常達不到預期的性能。要想獲得高效并且穩定的點陣夾芯結構，關鍵在于發展成熟的制造設備與工藝，并且提高計算模型精度。

（2）針對點陣夾芯結構換熱特性的研究，目前主要采用數值計算方法，受限于測量手段，試驗研究比較困難。目前以超然沖壓發動機為背景的試驗和數值研究比較少，后續還需進行大量的研究工作。

（3）點陣夾芯主動冷卻結構是實現發動機多功能一體化的首選結構。但是對于該結構的高效換熱性、穩定的承載性及輕質性，是相互矛盾的，因此需要在結構設計時進行各方面性能的綜合評估，以滿足不同工況下的使用要求。然而，目前缺少將換熱、承載、質量等性能參數進行綜合考慮的指標或準則。

5 結束語

本文對點陣夾芯主動冷卻結構研究進行綜述，重點分析了點陣夾芯主動冷卻結構的制備工藝與換熱特性的研究現狀。在此基礎上對點陣結構在超燃沖壓發動機中的潛在應用價值與面臨的挑戰進行分析，并提出下一步的發展建議。

在制備工藝方面，傳統機械加工工藝與先進增材制造技術各有優缺點，若能將兩者結合起來制備點陣夾芯結構，能夠有效地降低成本、縮短生產周期。換熱特性是冷卻結構中需要重點關注的性能，點陣胞元類型、設計尺寸及增強元件均對主動冷卻結構的換熱性能有重要影響。在進行冷卻結構設計時，充分利用點陣結構的可設計性或者通過控制孔隙率等宏觀設計變量得到具有高效換熱及低流阻的點陣夾芯結構。同時，可以根據原結構流體流動狀態在合適位置添加增強元件來改變流體流動，進而增強換熱性能或減小流阻。點陣夾芯主動冷卻結構具有高效換熱及低流阻的特性，若將其應用于超燃沖壓發動機中，能夠有效地解決冷卻劑不足及輕質化的問題。