新興飛行器：增材制造在航空業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的新平臺(tái)

來(lái)源： 國(guó)際航空
作者：陰鵬艷,，中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心

2020年10月,，超聲速商用飛機(jī)制造商Boom Supersonic公司推出了首架XB-1超聲速演示驗(yàn)證機(jī),，XB-1從設(shè)計(jì)制造到使用材料上都進(jìn)行了全新的重構(gòu),，特別是通過成功運(yùn)用增材制造技術(shù),，在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金材料的自由設(shè)計(jì)制造,、取得了更好的質(zhì)量控制，同時(shí)也削減了大量開發(fā)和維護(hù)成本,。

Boom公司于2016年宣布了XB-1超聲速客機(jī)的設(shè)計(jì)方案及參數(shù),，并公開展示了其驗(yàn)證機(jī),。2017年，Boom公司修改了XB-1的進(jìn)氣道,、機(jī)翼和垂尾設(shè)計(jì)方案,，隨后陸續(xù)與日本航空公司、Advent飛機(jī)系統(tǒng)公司,、Stratasys公司,、VELO 3D公司及美國(guó)空軍等建立合作關(guān)系。2020年,，Boom公司完成了靜態(tài)機(jī)翼加載測(cè)試,、機(jī)翼結(jié)構(gòu)組裝與關(guān)鍵對(duì)接測(cè)試，并于10月推出了二代驗(yàn)證機(jī),。

XB-1是超聲速客機(jī)“序曲”（Overture）的1:3縮比原型驗(yàn)證機(jī),，而“序曲”的載客量達(dá)55~75人。XB-1采用了雙座設(shè)計(jì),，機(jī)長(zhǎng)21.64m,、翼展長(zhǎng)6.4m，裝載3臺(tái)GE公司J85-15發(fā)動(dòng)機(jī),，巡航速度Ma 2.2,。據(jù)Boom公司透露，XB-1后續(xù)將進(jìn)行地面測(cè)試,，并計(jì)劃于2021年進(jìn)行100%碳中和測(cè)試后實(shí)現(xiàn)首飛,。同時(shí)，公司將完成“序曲”的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造并進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試和驗(yàn)證,。當(dāng)XB-1在飛行測(cè)試中突破聲障后,，Boom將最終確認(rèn)“序曲”的設(shè)計(jì)，并在2025年推出全尺寸的超聲速客機(jī),。
目前維珍集團(tuán)和日本航空公司已經(jīng)預(yù)訂了30架該型客機(jī),。

鈦合金部件增材制造的優(yōu)勢(shì)
從2019年起，Boom公司與VELO 3D公司就鈦合金部件的增材制造開展了合作,，VELO 3D利用該公司的“藍(lán)寶石”系統(tǒng)為XB-1開發(fā)和制造了飛機(jī)關(guān)鍵位置零件,，這些鈦合金部件大多用于發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)境控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件,。

在最新的XB-1演示驗(yàn)證機(jī)上已安裝有21個(gè)鈦合金增材制造部件,，包括：將發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣至飛機(jī)的外模線（OML）的可變涵道閥（VBV）系統(tǒng)歧管；用于冷卻駕駛艙和電子系統(tǒng)艙的環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）的排氣窗板,；用于將中央進(jìn)氣口的二次引氣流引導(dǎo)至外模線的窗板,；NACA導(dǎo)管和兩個(gè)分流器法蘭結(jié)構(gòu)部件。

VELO 3D公司將現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)展到極限,，研發(fā)出了可以打印薄壁鈦合金部件的工藝技術(shù),，其“藍(lán)寶石”系統(tǒng)采用了一種名為“智能融合”的技術(shù),，利用激光粉末床融合（LPBF）工藝燒結(jié)金屬粉末，并且憑借獨(dú)特的“無(wú)支撐”制造技術(shù)免除了大量的支撐結(jié)構(gòu),。系統(tǒng)還集成了Flow前處理軟件和Assure質(zhì)量控制軟件,，著力于滿足生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ谛�率、質(zhì)量一致性以及加工穩(wěn)定性的需求,。

△XB-1超聲速客機(jī)驗(yàn)證機(jī)上的鈦合金增材制造部件,。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不必向制造方式妥協(xié)
利用增材制造技術(shù)可以為部件帶來(lái)更大的設(shè)計(jì)靈活性。在越來(lái)越可靠的制造技術(shù)的支持下,，Boom公司設(shè)計(jì)了一系列新型薄壁零件,，推動(dòng)了部件減重和薄壁幾何狀零件的發(fā)展。

XB-1的許多3D打印零件與引氣氣流有關(guān),，且零件的工作環(huán)境超過260℃,，如復(fù)雜的葉片、導(dǎo)管和窗板等,。通過使用Flow前處理軟件,，設(shè)計(jì)人員在NACA導(dǎo)管的薄壁上增加了一些結(jié)構(gòu)肋以增加強(qiáng)度，其他絕大多數(shù)的零件都采用數(shù)字模型直接進(jìn)行制造,。

△1 kW雙激光頭燒結(jié),，并將鈦粉熔化沉積為近凈形狀的零件。

△通過前處理軟件在NACA導(dǎo)管的薄壁部位生成加強(qiáng)肋以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,。

難加工鈦合金得以高質(zhì)量打印
有些薄壁鈦合金零件無(wú)法使用鑄造工藝實(shí)現(xiàn),，而借助于VELO 3D的解決方案，通過優(yōu)化打印參數(shù)和打印順序減少了基座中的內(nèi)應(yīng)力,；通過在Z軸方向的材料堆積減少了冷卻過程中形成的內(nèi)應(yīng)力,，從而降低了開裂的可能性；其非接觸式的鋪粉方式避免了摩擦和碰撞風(fēng)險(xiǎn),，保證了中央進(jìn)氣口,、排氣窗板,、空心葉片這類大尺寸薄壁零件的成功打印,，并且不需要多余的材料來(lái)增加內(nèi)部強(qiáng)度。

生產(chǎn)薄壁零件的過程控制至關(guān)重要,。根據(jù)基于物理模型的實(shí)時(shí)多傳感器檢測(cè)算法,，預(yù)構(gòu)建零件的校準(zhǔn)只需在電腦上點(diǎn)擊，軟件即可自動(dòng)檢查關(guān)鍵變量,，工藝過程中也可定量監(jiān)控各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)并標(biāo)記是否出現(xiàn)異常,。所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都匯總在一個(gè)信息豐富的報(bào)告中，這些報(bào)告都會(huì)保存下來(lái),，以備后續(xù)參考,，使零件獲得更高的可追溯性和制造質(zhì)量,，并降低過程錯(cuò)誤（尤其是重復(fù)過程錯(cuò)誤）的風(fēng)險(xiǎn)。

△XB-1的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均安裝有可變涵道閥（VBV）系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以排出壓縮機(jī)空氣以防止發(fā)動(dòng)機(jī)失速,。左為來(lái)自Flow前處理軟件的數(shù)字模型；中為打印完成的3個(gè)零件,；右為窗板葉片,。

簡(jiǎn)化后處理
當(dāng)在精加工過程中創(chuàng)建用于固定零件的夾具時(shí)，復(fù)雜幾何形狀的零件可以使用其CAD模型快速設(shè)計(jì)夾具形狀,，并在單獨(dú)的熔融沉積成形（FDM）打印機(jī)上打印定制的夾具,。

打印完成的零件表面粗糙度平均值為Ra 250。雖然XB-1的零件關(guān)鍵要素是幾何形狀和零件強(qiáng)度,，并不要求VELO 3D對(duì)零件進(jìn)行表面處理,，但VELO 3D公司表示零件表面粗糙度經(jīng)簡(jiǎn)單步驟處理即可達(dá)到Ra 125的水平。成品零件往往還會(huì)進(jìn)行熱處理和/或熱等靜壓處理,，以提高疲勞壽命,。

△XB-1的VBV機(jī)身歧管上的內(nèi)部通道完全沒有支撐結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了材料,、后處理時(shí)間和勞動(dòng)力,。

增材制造技術(shù)的其他應(yīng)用
除與VELO 3D公司合作進(jìn)行鈦合金零部件的增材制造外，Boom公司還與增材制造解決方案供應(yīng)商Stratasys公司建立了合作關(guān)系,，并通過將其F900設(shè)備與飛機(jī)內(nèi)飾解決方案（AIS）軟件包結(jié)合使用,，為XB-1創(chuàng)建數(shù)百個(gè)3D打印零件。這些3D打印部件不僅直接組裝到XB-1上,，還可以用于工具,、原型和測(cè)試臺(tái)等其他地方。例如,，在將鈦合金面板安裝到后機(jī)身時(shí),，幾乎每個(gè)緊固件孔都是使用3D打印的鉆頭制作的，這些增材制造技術(shù)的應(yīng)用節(jié)省了數(shù)百小時(shí)的工時(shí),。

△XB-1的后機(jī)身區(qū)域裝配場(chǎng)景,。

實(shí)際上，相對(duì)于較為傳統(tǒng)的,、高度重視安全性的和認(rèn)證流程的商業(yè)航空,，這些新概念飛行器確實(shí)為增材制造這樣的"老牌新技術(shù)"提供了更廣闊的應(yīng)用空間。有關(guān)增材制造在航空業(yè)的應(yīng)用問題,，可以參考本公眾號(hào)過去的報(bào)道：“到不了的未來(lái),？增材制造技術(shù)何時(shí)走出低谷？”

因此,，XB-1樣機(jī)的成功推出,，標(biāo)志著在商業(yè)超聲速飛行方面新興飛行器技術(shù)所達(dá)到的轉(zhuǎn)折點(diǎn),，同時(shí)展示了增材制造在加速產(chǎn)品研發(fā)制造上的革新能力。在復(fù)合材料,、鈦合金,、高溫合金等用于承力、熱端部件的材料制造方面,，隨著增材制造技術(shù)在制造精度,、速度、質(zhì)量控制等方面不斷取得新突破,，在標(biāo)準(zhǔn)化鑒定認(rèn)證,、價(jià)值鏈集成方面更加統(tǒng)一和完善，增材制造將助力超聲速飛機(jī)成為商業(yè)與制造業(yè)角逐的新高地,。