金属3D打印零件将进入高超音速飞行器领域

随着美国政府发布关于不明飞行现象（UAPs）的报告，"高超音速 "一词得从新得到了人们关的注，该速度通常定位为超过5马赫以上。无论你是否相信是外星人，大国之间的空间竞争已经开始，而且不约而同的，向一种闻所未闻的速度和灵活性的飞行器进行预研和开发。

△艺术家设计的未来高超音速飞机概念图。同时，带有3D打印部件的推进系统正在开发中，以推动飞行器达到高超音速

具体的说，"超音速 "指的是在1马赫时突破音障的飞机（如现已退役的 "协和 "号和即将推出的 "轰鸣"号）。5马赫就相当于五倍音速的速度，在海平面上超过3500英里/小时。但是当达到这个速度的上限时，就进入了高超音速环境。南极熊获悉，普渡大学的研究人员，正在探索一种全新的金属3D打印技术，通过该技术，它们能够生产出完全致密的最终使用部件，其坚固性超过了传统的铸造方法。这些零件可以满足在高超音速苛刻环境下的应用条件。探索高超音速的技术世界普渡大学副教授卡森-斯拉博（Carson Slabaugh）说："5马赫是一条难以越过的技术红线。"自从他2015年在普渡大学开始实验室以来，他在祖克罗实验室的20人团队一直在研究高速燃烧系统。"当飞行器高速飞行时，在机身周围和内部流动的空气会发生极端的压缩和加热。在速度达到5马赫时，温度大约增加6倍，压力增加几百倍。同时，这种热和机械负荷导致空气动力学、热力学和结构力学的制度完全改变。"在5马赫以上的速度飞行，这时大气中的空气在冲过时的温度是几千度，压力是几百磅。如果你飞得足够快，空气本身甚至可以变得具有化学反应性。极端的流动条件下，对于任何推力来自燃烧燃料的飞行器系统来说，都是一项技术挑战。

△Carson Slabaugh副教授在普渡大学Zucrow实验室燃烧试验台前

金属3D打印零件为了应对这一挑战，Slabaugh和他的团队与VELO3D合作，打印具有复杂几何形状的燃料喷射器，以实现极高的燃料空气混合性能。传统的制造方法不可能生产出这样的零件，尤其是在极端的测试条件下，需要高强度的超合金金属。Slabaugh说："通过我们的合作，我们帮助Velo3D公司设计了高速燃烧系统，同时，他们教会了我们，如何更好地利用3D打印技术。这就是我们在解决与先进技术转型相关的挑战时与行业伙伴建立的那种互利关系。"

△测试室内的火焰，可模拟高速推进系统在高超声速环境下

它们开发的高超音速飞行器的大部分研究和开发，都得到了美国国家航空航天局和国防一级预算的支持。这种先进的飞行测试对应的研发成本也很高，所以该团队希望尽可能的节省成本，就像普渡大学的那个设施一样，Slabaugh的团队正在地面建设了一个验证飞行器发动机部件的是测试场所。Slabaugh说："我们设计的部件将模拟在高超音速环境下运行，同时，它们不需要上天或移动，并保持与地面的螺栓始终连接。计算流体力学（CFD）和流体结构相互作用（FSI）等方法，可以用来模拟材料和结构在空气或液体流动中的行为。这使得工程师在制造任何东西之前就能优化设计。解决技术难题Slabaugh说："一个基本问题是，我们无法可靠地预测高超音速条件下，发动机内的流动和火焰条件。他还谈到该团队如何去解决这个问题："我们与Velo3D合作制造了一个非常大的3D打印燃烧器，它将被用来在地面的测试单元中创造高超音速环境。"为了在地面上创造一个高超音速飞行器，你必须建造一个火箭发动机，它有一个大型的、收敛发散的喷嘴，和一个超音速的极热气体羽流。然后将正在测试的任何部件放入该羽流内。Slabaugh说。"通过Velo3D，我们为该燃烧器设计喷油器，以产生非常具体的湍流流场，以一定的速度混合燃料，并允许我们在一个非常紧凑的体积内，稳定一个非常强大的火焰。这为我们要在下游测试的所有东西创造了条件。"

△3D打印喷射器可产生稳定、强大的湍流火焰

为验证这种3D打印燃烧器的性能，使用由哈氏合金X制成的一种高强度、高温的超级合金，它可以承受高超音速环境，使普渡大学的团队能够迅速确定哪种设计最有效。工程师们用五种不同的设计巧妙地改变了喷油器的流道。对于3D打印来说，这只是一个调整STEP数据文件的问题。同时，VELO3D Sapphire系统的打印准备软件具备自动适应功能。因此，设计被打印出来后，通过了高超音速相关测试条件的考验。在短短两周内，该团队能够筛选出性能最好的产品，它具有他们所寻找的所有静态和动态特征。该高性能喷油器，符合工程师们最看重的燃烧器性能、火焰功率和火焰稳定性等关键参数。该团队的下一步是，将一个大型喷油器阵列组装成一个更强大的燃烧器。Velo3D正在与Zucrow实验室进一步协商，帮助他们利用3D打印 "随心所欲 "的能力，将喷油器组集成到一个单一的3D打印组件中。从那里，工程师们将继续完善和组装一个完整的燃烧器系统，该技术的目标是在2022年底，全面实现高超音速测试能力。