金屬3D打印零件將進入高超音速飛行器領域

南極熊導讀：隨著美國政府發(fā)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(fā)。

△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(tǒng)正在開發(fā)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(xié)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(huán)境。

南極熊獲悉，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(tǒng)的鑄造方法。這些零件可以滿足在高超音速苛刻環(huán)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(tǒng)。"當飛行器高速飛行時，在機身周圍和內部流動的空氣會發(fā)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(tǒng)來說，都是一項技術挑戰(zhàn)。

△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(zhàn)，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(tǒng)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(tǒng)，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(zhàn)時與行業(yè)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(tǒng)在高超聲速環(huán)境下

它們開發(fā)的高超音速飛行器的大部分研究和開發(fā)，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(fā)成本也很高，所以該團隊希望盡可能的節(jié)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(fā)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(huán)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(yōu)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(fā)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(chuàng)造高超音速環(huán)境。"

為了在地面上創(chuàng)造一個高超音速飛行器，你必須建造一個火箭發(fā)動機，它有一個大型的、收斂發(fā)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?yōu)樵撊紵髟O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(wěn)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(chuàng)造了條件。"

△3D打印噴射器可產生穩(wěn)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(huán)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(tǒng)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(tài)和動態(tài)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(wěn)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(xié)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(xù)完善和組裝一個完整的燃燒器系統(tǒng)，該技術的目標是在2022年底，全面實現高超音速測試能力。