3D打印案例分享，氢能源飞机上的热交换器

氢电飞机是指以液态氢为燃料，以燃料电池为动力来源的新型飞行器。

与传统化石燃料飞机相比，氢电飞机具有零碳排放、续航里程长等优势，被视为未来航空业的重要发展方向。

一个介绍氢电飞机的视频（版权来自Wallstreet Journal），有兴趣的读者可以观看了解。

当然，氢电飞机的商业化仍面临诸多挑战，如氢燃料的制备、运输和加注基础设施建设，以及飞机关键部件的优化设计和制造等。但从长远来看，氢电飞机代表了航空业的未来发展方向，在续航力、环保性等方面具有显著优势，更有潜力彻底颠覆传统航空运输模式。

近日，一篇名为《面向氢电飞机推进系统的增材制造低温热交换器开发》的研究报告，为增材制造技术在航空领域的创新应用提供了范例。

该研究来自德国宇航中心(DLR)等机构的科研人员，针对未来氢电飞机推进系统中的关键部件——低温热交换器，探索增材制造技术的应用潜力。这项研究成果对于3D打印行业从业者和爱好者而言，有几点值得关注和思考。

为了提高飞机的动力效率和载重能力，氢电飞机采用高功率密度(>10kW/kg)的电机作为推进系统的核心部件。

然而，高功率密度意味着高热流密度，传统的电机冷却方式难以满足散热需求。

因此，研究人员提出利用液氢(沸点-253°C)作为冷却介质，通过热交换器将电机损耗的热量传递给液氢，一方面为电机提供高效冷却，另一方面加热气化的氢气用于燃料电池，可谓一举两得。

与传统化石燃料飞机相比，氢电飞机采用低温(20-30K)、低压液氢储存，在整体系统重量方面具有优势。然而，从液氢罐中提取的液氢需要经过热调节，升温至燃料电池的工作温度(>300K)。这就需要在推进系统中设置多个不同用途的热交换器。

传统的热交换器采用机加工、锻造等方式制造，内部通道结构受限，传热效率难以进一步提升，难以满足未来大功率燃料电池飞机的苛刻需求。

而增材制造技术，特别是金属3D打印技术，为打破这一瓶颈提供了新思路。得益于「分层制造、逐点堆积」的工艺特点，增材制造技术可以实现热交换器内部的复杂几何结构，如针肋、多孔等，大幅增加传热面积，强化传热效果。

本研究采用了柱状管束(针肋)结构，通过在氢气侧布置交错的针肋阵列，显著增强了传热性能。同时，气态氢和冷却液分别在交替的流动平面中流动，通过调整流动单元的层数，在满足传热需求的同时，将摩擦压降控制在限定范围内。

为了在满足传热和压降要求的前提下，实现热交换器结构最轻量化，研究人员对针肋排布的行数、列数、针肋直径、针肋间距等参数进行了优化。其中，3D打印工艺的制造极限，如细微结构的最小厚度，成为优化的边界条件。

因此，研究团队开展了一系列的工艺试验，为优化算法提供了有意义的限制条件。在完成初步优化设计后，研究人员利用计算流体动力学(CFD)方法，对整个热交换器(包括进出口流道)的性能进行了分析，确保了设计的可行性。

此外，机械强度分析表明，3D打印工艺限制，而非应力限制，是决定壁厚下限的主要因素。

总的来说，这项研究展示了一套完整的热交换器开发流程，从基于系统分析的需求提取，到基于经验热-流耦合公式的初步设计优化，再到基于CFD和机械强度分析的详细设计验证，为增材制造在航空领域的应用提供了宝贵经验。

AM易道认为，这项研究为3D打印在新能源领域的拓展指明了方向，也为3D打印企业提供了新的思路。

尤其值得借鉴的是，研究团队采用了基于物理的建模方法，通过解析计算与数值模拟相结合，实现了热交换器设计参数的快速优化。

同时，3D打印工艺参数对材料性能的影响，特别是在极端环境下的影响，也是设计和制造必须考虑的重点因素。

展望未来，增材制造技术与新能源、新材料、人工智能等前沿技术加速融合，有望催生出一系列变革性的创新应用。以本研究为例，3D打印低温热交换器的开发，为高比功率燃料电池飞机的电推进系统带来了新的可能。

一方面，高效紧凑的热交换器可以提升推进系统的综合性能; 另一方面，增材制造部件与其他轻量化设计的耦合优化，可以进一步减轻飞机的结构重量，提高载重效率。

这些创新的技术组合，不仅将推动氢能源飞机这个尚在早期阶段的领域， 还可以在新能源汽车领域用同样的思路大放异彩。

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