金屬3D打印零件將進入高超音速飛行器領域

魔猴君  行業資訊   830天前

導讀：隨著美國政府發布關于不明飛行現象（UAPs）的報告，"高超音速 "一詞得從新得到了人們關的注，該速度通常定位為超過5馬赫以上。無論你是否相信是外星人，大國之間的空間競爭已經開始，而且不約而同的，向一種聞所未聞的速度和靈活性的飛行器進行預研和開發。

△藝術家設計的未來高超音速飛機概念圖。同時，帶有3D打印部件的推進系統正在開發中，以推動飛行器達到高超音速

具體的說，"超音速 "指的是在1馬赫時突破音障的飛機（如現已退役的 "協和 "號和即將推出的 "轟鳴"號）。5馬赫就相當于五倍音速的速度，在海平面上超過3500英里/小時。但是當達到這個速度的上限時，就進入了高超音速環境。

普渡大學的研究人員，正在探索一種全新的金屬3D打印技術，通過該技術，它們能夠生產出完全致密的最終使用部件，其堅固性超過了傳統的鑄造方法。這些零件可以滿足在高超音速苛刻環境下的應用條件。

探索高超音速的技術世界

普渡大學副教授卡森-斯拉博（Carson Slabaugh）說："5馬赫是一條難以越過的技術紅線。"自從他2015年在普渡大學開始實驗室以來，他在祖克羅實驗室的20人團隊一直在研究高速燃燒系統。"當飛行器高速飛行時，在機身周圍和內部流動的空氣會發生極端的壓縮和加熱。在速度達到5馬赫時，溫度大約增加6倍，壓力增加幾百倍。同時，這種熱和機械負荷導致空氣動力學、熱力學和結構力學的制度完全改變。"

在5馬赫以上的速度飛行，這時大氣中的空氣在沖過時的溫度是幾千度，壓力是幾百磅。如果你飛得足夠快，空氣本身甚至可以變得具有化學反應性。極端的流動條件下，對于任何推力來自燃燒燃料的飛行器系統來說，都是一項技術挑戰。

△Carson Slabaugh副教授在普渡大學Zucrow實驗室燃燒試驗臺前 

金屬3D打印零件

為了應對這一挑戰，Slabaugh和他的團隊與VELO3D合作，打印具有復雜幾何形狀的燃料噴射器，以實現極高的燃料空氣混合性能。傳統的制造方法不可能生產出這樣的零件，尤其是在極端的測試條件下，需要高強度的超合金金屬。

Slabaugh說："通過我們的合作，我們幫助Velo3D公司設計了高速燃燒系統，同時，他們教會了我們，如何更好地利用3D打印技術。這就是我們在解決與先進技術轉型相關的挑戰時與行業伙伴建立的那種互利關系。"

△測試室內的火焰，可模擬高速推進系統在高超聲速環境下 

它們開發的高超音速飛行器的大部分研究和開發，都得到了美國國家航空航天局和國防一級預算的支持。

這種先進的飛行測試對應的研發成本也很高，所以該團隊希望盡可能的節省成本，就像普渡大學的那個設施一樣，Slabaugh的團隊正在地面建設了一個驗證飛行器發動機部件的是測試場所。

Slabaugh說："我們設計的部件將模擬在高超音速環境下運行，同時，它們不需要上天或移動，并保持與地面的螺栓始終連接。

計算流體力學（CFD）和流體結構相互作用（FSI）等方法，可以用來模擬材料和結構在空氣或液體流動中的行為。這使得工程師在制造任何東西之前就能優化設計。

解決技術難題

Slabaugh說："一個基本問題是，我們無法可靠地預測高超音速條件下，發動機內的流動和火焰條件。

他還談到該團隊如何去解決這個問題："我們與Velo3D合作制造了一個非常大的3D打印燃燒器，它將被用來在地面的測試單元中創造高超音速環境。"

為了在地面上創造一個高超音速飛行器，你必須建造一個火箭發動機，它有一個大型的、收斂發散的噴嘴，和一個超音速的極熱氣體羽流。然后將正在測試的任何部件放入該羽流內。

Slabaugh說。"通過Velo3D，我們為該燃燒器設計噴油器，以產生非常具體的湍流流場，以一定的速度混合燃料，并允許我們在一個非常緊湊的體積內，穩定一個非常強大的火焰。這為我們要在下游測試的所有東西創造了條件。"

△3D打印噴射器可產生穩定、強大的湍流火焰

為驗證這種3D打印燃燒器的性能，使用由哈氏合金X制成的一種高強度、高溫的超級合金，它可以承受高超音速環境，使普渡大學的團隊能夠迅速確定哪種設計最有效。

工程師們用五種不同的設計巧妙地改變了噴油器的流道。對于3D打印來說，這只是一個調整STEP數據文件的問題。同時，VELO3D Sapphire系統的打印準備軟件具備自動適應功能。因此，設計被打印出來后，通過了高超音速相關測試條件的考驗。

在短短兩周內，該團隊能夠篩選出性能最好的產品，它具有他們所尋找的所有靜態和動態特征。該高性能噴油器，符合工程師們最看重的燃燒器性能、火焰功率和火焰穩定性等關鍵參數。

該團隊的下一步是，將一個大型噴油器陣列組裝成一個更強大的燃燒器。Velo3D正在與Zucrow實驗室進一步協商，幫助他們利用3D打印 "隨心所欲 "的能力，將噴油器組集成到一個單一的3D打印組件中。

從那里，工程師們將繼續完善和組裝一個完整的燃燒器系統，該技術的目標是在2022年底，全面實現高超音速測試能力。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/43117.html