5马赫及以上! 高超音速超燃冲压发动机3D打印获新突破

| 3DScienceValley · 2024/03/22

根据《航空动力》，2022年2月，美国国防部与多家美国军工企业开展线上对话，探讨如何加速发展高超声速作战概念。会上，美国国防部一方面强调将与行业持续交流，以满足美国国防部对进攻性和防御性高超声速武器的需求；另一方面还强调有必要扩大获取建模能力和试验设施的途径，采用“经常试验、快速失败和学习经验”的方法，加快高超声速系统和高超声速防御系统的部署。

2022年7月，美国国防部高超声速领域负责人迈克·怀特（Mike White）在高超声速论坛透露，国防部已在制定名为“国家高超声速倡议2.0”（NHI2.0）的顶层战略，旨在创造一个更强大的能力通道和采办生态环境，以负担得起、负责任和稳健的方式大幅加快美国高超声速技术发展，获得破坏性和先进的作战能力。NHI2.0是美国最新的国家级战略规划，系统性布局了高超声速能力与支撑领域的发展方向，以谋求军事能力的长久优势。

根据的最新了解，作为国防部长办公室制造科学与技术计划资助的五个项目之一，超燃冲压发动机项目获得了进一步的进展，普渡大学 3D 打印了高超音速超燃冲压发动机原型，该发动机允许飞机以5马赫及以上的速度飞行。

▲ 3D打印用于实现复杂设计的制造
© 普渡大学

当传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为超音速飞行器开辟了一条全新的道路。金属3D打印技术以其能够快速制备具有高材料性能、异形结构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器相关领域得到了愈发广泛的应用。

▲ 国防领域的增材制造
© 白皮书

全尺寸

高超音速飞行器是飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器之总称。我国“两弹一星”元勋、著名空气动力学家钱学森先生是高超声速技术的最早倡导者之一。他在1945年曾发表《论高超声速相似律》论文，率先采用“Hyersonic”一词来表示高超声速，同时定义了“飞行速度大于5马赫”的标准，即每小时超过6000公里。

超燃冲压发动机是冲压发动机的一种变体，其中燃烧发生在超音速气流中。与冲压发动机一样，超燃冲压发动机依靠高速度在燃烧前强力压缩进入的空气，但冲压发动机在燃烧前使用冲击锥将空气减速到亚音速，而超燃冲压发动机没有冲击锥来减速空气，而是使用其点火源产生的冲击波代替冲击锥来减慢气流。这使得超燃冲压发动机能够以极高的速度高效运行。

据普渡大学称，该大学的研发中心普渡应用研究所 (PARI) 的一个团队正在使用增材制造设备来打印全尺寸、完全可操作的超音速超燃冲压发动机。PARI 高超音速先进制造技术中心 (HAMTC) 的研究人员认为，这种创新的超燃冲压发动机设计为整个高超音速行业更经济、更便捷的制造工艺铺平了道路。

超燃冲压发动机的设计极其复杂，这就是增材制造的使用取得如此突破的原因。

不过3D打印和测试超燃冲压发动机通常既昂贵又耗时，大多数具有增材制造能力的应用研究实验室只能3D打印小型的、按比例缩小的版本进行测试。然后推断这些模型以创建全尺寸超燃冲压发动机，其部件必须单独3D打印然后组装。然而，利用 PARI -普渡应用研究所提供的增强型制造技术，研究人员可以打印全尺寸、完全可操作的超燃冲压发动机。

据普渡大学，全尺寸超燃冲压发动机原型展示了普渡大学高超音速先进制造技术中心 (HAMTC) 彻底改变高超音速行业的潜力。原型的关键是减轻重量和减少零件，同时又不影响发动机工作所需的功能和几何复杂性。这项工作是通过 GE Concept Laser X Line 2000R 增材制造完成的，这是一款用于大型金属件制造的3D打印机。

该原型的研发不仅借助于PARI -普渡应用研究所的金属3D打印机，而且还借助了普渡大学的新技术试验台：普渡大学 Maurice J. Zucrow 实验室——世界上最大的学术推进实验室之一。该项目将 PARI 的制造能力与 Zucrow 的高速推进测试设施相结合，可以模拟 5 马赫及更高速度的条件，并提供高速材料诊断。

两条路线

根据的市场观察，美国在超音速发动机方面的技术发展路线正在分化成两条路线，一条路线是超燃冲压发动机，另外一条路线是旋转爆震燃烧发动机。

就在2023年12月，GE通用电气航空航天公司表示，其在开发能够为超高速高超音速飞行提供动力的可重复使用发动机方面取得了重大突破。GE航空航天公司于12月14日透露，位于纽约州北部的全球研究中心的科学家们成功测试了双模冲压发动机（DMRJ）发动机小型验证机，该验证机使用了一种称为旋转爆震燃烧（RDC）的新技术。

GE表示，对于一次性和可重复使用的飞行器，该设计可以实现高速、远程飞行，其效率比当前超燃冲压发动机更高。随着航空航天领域着眼于高超音速技术的未来，GE航空航天公司凭借适当的能力、经验和规模，处于有利地位，能够成为推动客户新发展的领导者。GE已成功点燃双模超燃冲压发动机小型验证机，GE表示该发动机有朝一日可为载人高超音速飞行提供动力。

而无论是超燃冲压发动机，还是旋转爆震燃烧发动机，其技术的突破都是建立在增材制造和先进材料的基础之上。

不过需要认识到，虽然激光粉床熔融 (L-PBF) 3D打印工艺制造的零件可以在受控实验室环境中成功构建，但到生产环境的转换并不总是无缝的。许多机器和粉末批次之间存在差异，因此需要全面了解彼此独立运营的多个供应商之间的性能差异。整个商业供应链的可重复性和再现性对于设计师来说至关重要，旨在确保零件符合预期的性能和操作要求。