Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

在航空航天工程的高风险领域，保护飞行器免受再入大气层时剧烈热量的伤害是生死攸关的大事。当航天器或高超音速飞行器坠入大气层时，前方的空气会发生压缩并升温至数千度，从而产生一个足以在数秒内熔化标准金属的热障。为了生存下来，工程师们依赖热防护系统，这些系统通常以夹层板的形式构建。这些结构由两层薄而坚固的外壳和中间一层轻质芯材组成。芯材的任务并非承受飞行器的重量，而是充当热绝缘体，防止来自灼热外层的热量传导至内部脆弱的电子设备和燃料箱。几十年来，该行业的标准芯材一直是蜂窝结构，由粘合在一起的薄金属箔以六角形图案组成。这是一个经过验证、可靠的设计，但它受到制造工具的限制；蜂窝形状是固定的，且材料在整个结构中是均匀的。

印度玛拉雷迪大学（Malla Reddy Deemed to be University）的一个研究小组探索了一条不同的道路，这条道路是由 3D 打印（即增材制造）的快速进步所实现的。他们没有局限于传统的蜂窝结构，而是思考是否可以设计一种具有更复杂的、三维内部结构的芯材，从而更有效地阻挡热量。他们专注于一种被称为“八角桁架晶格”（octet-truss lattice）的特定几何图案，这种图案看起来像是一个由相互连接的支柱组成的重复框架，类似于微观支架。通过使用计算机模拟极端热条件，他们将这种新的晶格设计直接与旧的蜂窝标准进行了对比，并在各种材料密度水平下进行测试，以观察哪种设计能让面板背面保持更低且更稳定的温度。

研究人员为这两种夹层板构建了详细的数字模型，均使用铝合金作为材料，并将它们置于两种类型的剧烈热场景中。在第一种场景中，他们模拟了一个稳定、恒定的热源，将顶表面保持在 50 摄氏度的灼热状态，而底面保持冷却。在第二种更动态的场景中，他们用巨大的热通量猛烈冲击顶表面长达五分钟，模拟飞行器在高速飞行期间可能经历的突然、剧烈的加热过程。他们在一系列密度范围内（从非常轻盈到略微致密）运行了这些模拟，以寻找既足够轻便实用又能有效阻挡热量的平衡点。

模拟结果清晰且对新设计有利。增材制造的晶格芯材被证明是比传统蜂窝结构更优越的绝缘体。在恒定热测试中，晶格结构的导热效率比蜂窝结构低约 26%。这种性能差异直接转化为面板受保护背面的温度变化。当顶面遭受持续五分钟的剧烈热冲击时，蜂窝面板的背面达到了 315 摄氏度。然而，晶格面板的表现显著更凉爽，在 5% 的密度下，其背面温度仅为 287 摄氏度；而在测试的最低密度 3% 时，其背面温度达到了最低的 256 摄氏度。这接近 30 度的温差，可能是决定传感器在任务中生存还是失败的关键因素。

除了隔热之外，晶格结构在应对热应力方面也表现得更好。材料受热时会膨胀，并可能发生翘曲或弯曲，这会损害飞行器的结构完整性。在热负荷作用下，蜂窝面板翘曲了 2.34 毫米，而晶格面板仅翘曲了 1.94 毫米。这种 17% 的弯曲减少表明，晶格设计不仅是一个更好的热屏蔽层，也是一个更稳定的屏蔽层，能够抵抗随温度剧烈变化而产生的变形。研究人员发现，晶格的优势在于其形状；与具有允许热量从顶部直接传导到底部的垂直直壁的蜂窝不同，晶格由倾斜的支柱组成。这些倾斜的路径迫使热量沿着更长、更蜿蜒的路线传播，从而减缓了热传递速度。此外，晶格的开放性质允许更多的内部辐射交换，这有助于在芯材内部耗散热量，而不是让热量直接穿透。

这项研究还确定了晶格设计表现最佳的具体密度范围。虽然较轻的芯材通常由于可传导的固体金属较少而能更好地阻挡热量，但研究人员发现，如果芯材过轻，热量可以通过空气间隙进行辐射传输。他们确定，在考虑了传导与辐射之间的特定权衡后，7% 到 10% 的相对密度为最小化背面温度提供了最佳平衡，尽管在 3% 的最低密度下观察到了 256°C 的绝对最低背面温度。在这些密度下，晶格芯材保持了其优势，使背面温度比同等的蜂窝结构低约 20 到 30 度。这一发现为想要更换这些新材料的工程师提供了具体的指导，展示了需要多少材料才能获得最佳保护，而不增加不必要的重量。

尽管这些发现是基于计算机模拟而非物理风洞测试，但结果在不同热条件和密度下的连贯性，为这些结构的潜力提供了强有力的证据。研究人员指出，晶格设计允许一种传统制造无法实现的定制水平，例如创建在不同层具有不同密度的芯材，以进一步优化性能。尽管该研究局限于铝材料，并且没有考虑到诸如表面粗糙度或结合不完美等所有现实世界的变量，但数据表明，3D 打印的晶格芯材可能很快就会取代旧的蜂窝标准。对于下一代航天器或高超音速飞行器而言，这意味着更轻、更凉爽且更可靠的热防护系统，将复杂的几何图案转化为对抗再入大气层烈焰的关键盾牌。