金屬3D打印零件將進(jìn)入高超音速飛行器領(lǐng)域

南極熊導(dǎo)讀：隨著美國政府發(fā)布關(guān)于不明飛行現(xiàn)象（UAPs）的報(bào)告,，"高超音速 "一詞得從新得到了人們關(guān)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(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)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(jìn)行預(yù)研和開發(fā),。

△藝術(shù)家設(shè)計(jì)的未來高超音速飛機(jī)概念圖,。同時(shí)，帶有3D打印部件的推進(jìn)系統(tǒng)正在開發(fā)中,，以推動(dòng)飛行器達(dá)到高超音速

具體的說,，"超音速 "指的是在1馬赫時(shí)突破音障的飛機(jī)（如現(xiàn)已退役的 "協(xié)和 "號(hào)和即將推出的 "轟鳴"號(hào)）。5馬赫就相當(dāng)于五倍音速的速度,，在海平面上超過3500英里/小時(shí),。但是當(dāng)達(dá)到這個(gè)速度的上限時(shí)，就進(jìn)入了高超音速環(huán)境,。

南極熊獲悉,，普渡大學(xué)的研究人員，正在探索一種全新的金屬3D打印技術(shù),，通過該技術(shù),，它們能夠生產(chǎn)出完全致密的最終使用部件，其堅(jiān)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(yīng)用條件,。

探索高超音速的技術(shù)世界
普渡大學(xué)副教授卡森-斯拉博（Carson Slabaugh）說："5馬赫是一條難以越過的技術(shù)紅線。"自從他2015年在普渡大學(xué)開始實(shí)驗(yàn)室以來,，他在祖克羅實(shí)驗(yàn)室的20人團(tuán)隊(duì)一直在研究高速燃燒系統(tǒng),。"當(dāng)飛行器高速飛行時(shí)，在機(jī)身周圍和內(nèi)部流動(dòng)的空氣會(huì)發(fā)生極端的壓縮和加熱,。在速度達(dá)到5馬赫時(shí),，溫度大約增加6倍，壓力增加幾百倍,。同時(shí),，這種熱和機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的制度完全改變,。"

在5馬赫以上的速度飛行,，這時(shí)大氣中的空氣在沖過時(shí)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(xué)反應(yīng)性。極端的流動(dòng)條件下,，對(duì)于任何推力來自燃燒燃料的飛行器系統(tǒng)來說,，都是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

△Carson Slabaugh副教授在普渡大學(xué)Zucrow實(shí)驗(yàn)室燃燒試驗(yàn)臺(tái)前

金屬3D打印零件
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),，Slabaugh和他的團(tuán)隊(duì)與VELO3D合作,，打印具有復(fù)雜幾何形狀的燃料噴射器,，以實(shí)現(xiàn)極高的燃料空氣混合性能。傳統(tǒng)的制造方法不可能生產(chǎn)出這樣的零件,，尤其是在極端的測(cè)試條件下,，需要高強(qiáng)度的超合金金屬。

Slabaugh說："通過我們的合作,，我們幫助Velo3D公司設(shè)計(jì)了高速燃燒系統(tǒng),，同時(shí)，他們教會(huì)了我們,，如何更好地利用3D打印技術(shù),。這就是我們?cè)诮鉀Q與先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)型相關(guān)的挑戰(zhàn)時(shí)與行業(yè)伙伴建立的那種互利關(guān)系。"

△測(cè)試室內(nèi)的火焰,，可模擬高速推進(jìn)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(jí)預(yù)算的支持。

這種先進(jìn)的飛行測(cè)試對(duì)應(yīng)的研發(fā)成本也很高,，所以該團(tuán)隊(duì)希望盡可能的節(jié)省成本，就像普渡大學(xué)的那個(gè)設(shè)施一樣,，Slabaugh的團(tuán)隊(duì)正在地面建設(shè)了一個(gè)驗(yàn)證飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)部件的是測(cè)試場(chǎng)所,。

Slabaugh說："我們?cè)O(shè)計(jì)的部件將模擬在高超音速環(huán)境下運(yùn)行，同時(shí),，它們不需要上天或移動(dòng),，并保持與地面的螺栓始終連接。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和流體結(jié)構(gòu)相互作用（FSI）等方法,，可以用來模擬材料和結(jié)構(gòu)在空氣或液體流動(dòng)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(shè)計(jì)。

解決技術(shù)難題
Slabaugh說："一個(gè)基本問題是,，我們無法可靠地預(yù)測(cè)高超音速條件下,，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)和火焰條件。

他還談到該團(tuán)隊(duì)如何去解決這個(gè)問題："我們與Velo3D合作制造了一個(gè)非常大的3D打印燃燒器,，它將被用來在地面的測(cè)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(gè)高超音速飛行器，你必須建造一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī),，它有一個(gè)大型的,、收斂發(fā)散的噴嘴，和一個(gè)超音速的極熱氣體羽流,。然后將正在測(cè)試的任何部件放入該羽流內(nèi),。

Slabaugh說。"通過Velo3D,，我們?yōu)樵撊紵�器設(shè)計(jì)噴油器,，以產(chǎn)生非常具體的湍流流場(chǎng)，以一定的速度混合燃料，并允許我們?cè)谝粋�(gè)非常緊湊的體積內(nèi),，穩(wěn)定一個(gè)非常強(qiáng)大的火焰,。這為我們要在下游測(cè)試的所有東西創(chuàng)造了條件。"

△3D打印噴射器可產(chǎn)生穩(wěn)定,、強(qiáng)大的湍流火焰

為驗(yàn)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(qiáng)度、高溫的超級(jí)合金,，它可以承受高超音速環(huán)境,，使普渡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)能夠迅速確定哪種設(shè)計(jì)最有效。

工程師們用五種不同的設(shè)計(jì)巧妙地改變了噴油器的流道,。對(duì)于3D打印來說,，這只是一個(gè)調(diào)整STEP數(shù)據(jù)文件的問題。同時(shí),，VELO3D Sapphire系統(tǒng)的打印準(zhǔn)備軟件具備自動(dòng)適應(yīng)功能,。因此，設(shè)計(jì)被打印出來后,，通過了高超音速相關(guān)測(cè)試條件的考驗(yàn),。

在短短兩周內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)能夠篩選出性能最好的產(chǎn)品,，它具有他們所尋找的所有靜態(tài)和動(dòng)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(guān)鍵參數(shù),。

該團(tuán)隊(duì)的下一步是，將一個(gè)大型噴油器陣列組裝成一個(gè)更強(qiáng)大的燃燒器,。Velo3D正在與Zucrow實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(gè)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(gè)完整的燃燒器系統(tǒng)，該技術(shù)的目標(biāo)是在2022年底,，全面實(shí)現(xiàn)高超音速測(cè)試能力,。