近日，我院航空航天系费庆国教授团队在热力学领域TOP期刊《Energy》（中科院一区TOP期刊，IF=9.0）上发表题为“Numerical investigation of the hydrothermal performance in novel cooled panels with flow-guided pin fins and secondary channels for reusable launch vehicles”的研究成果，提出了一种用于可重复使用飞行器热防护的带有导流针翅和二次流道的微通道换热冷板。
随着航空航天技术的不断发展，得益于低运输成本和短发射周期，可重复使用飞行器已成为各国研究的热点。复杂的任务需求和严苛的气动热环境，给可重复使用飞行器的热防护和热管理带来了新挑战，传统被动式热防护系统受限于防隔热效率，在应用于大面积机身的热防护时存在结构质量较大的问题，难以满足飞行器轻量化需求。而冷却效率较高的主动热防护技术，在直接应用于飞行器机身和热流密集区域的长时防隔热时，也存在冷却剂紧缺的问题。
为此，本研究提出一种导流针翅与二次流道相复合的新型微通道换热冷板，通过促进内流场内流体频繁的扰动、换向和掺混，提升冷板单位面积冷却性能，进而缓解冷却剂消耗量过大的问题。此外，还在肋等扰流结构型面处应用LD-Haack曲线以达到减阻效果，进一步提升冷板的综合换热性能。研究结构表明，由肋和翅片结合而成的导流针翅引导了更多的流体进入次流道参与换热，次流道内布置的次肋有效地抑制了回流区涡流，改善了冷热流体的掺混效果并破坏了热边界层。与其他研究人员所提出的同类型复合冷板相比，本研究所提出的冷板在Re=670时，相对努塞尔数提高了11.4 %。在肋结构处引入LD-Haack曲线后，冷板相对摩擦系数降低了14.9 %，进而带来了7.4 %的综合换热因子提升。此外，对导流针翅的无量纲特征尺寸进行优化后，冷板的综合换热因子最高可达2.15。本研究所提出的新型复合微通道冷板结构及其优化尺寸参数，为可重复使用飞行器主动热防护系统中换热冷板的设计和优化提供了理论支撑与参考。
论文的第一作者为航空航天系博士生张同勇，通讯作者为费庆国教授和张大海副教授，研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、江苏省重点研发项目等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.135991
图1 微通道冷板在可重复使用飞行器热防护系统中的应用
图2 导流针翅和二次流道复合的新型微通道冷板
图3 微通道冷板内流场流动与换热性能分析
供稿：张同勇
审核：王乾乾
