成就高超音速之路，3D打印复杂的冲压发动机

| 3DScienceValley · 2023/09/21

在国防工业中，迫切需要推进航空航天更快更安全的应用。全球竞争对手正在加紧努力开发能够产生更强大的推力以极高速度推进航空系统的推进系统。超音速（高于1马赫，音速）甚至高超音速（高于5马赫）飞行器和导弹正变得越来越现实。

在这个领域，3D打印现在被视为一种能够以比传统制造方式以更轻的重量和更短的时间提供复杂的单件发动机设计的技术，材料开发也在同步推进，经常有新认证的高性能金属合金用于特定增材制造 (AM) 的消息。

根据3D科学谷，由于空气的摩擦，任何交通工具表面都会变得非常炽热,高超音速飞行器在临近空间/大气层内长时间以超过马赫数5的高速持续飞行，采用吸气式动力形势的发动机进气道、燃烧室等部位所处的热环境尤其严酷。这使相关零部件对材料的耐高温性能、结构的力学性能等有着很高要求，同时对其空间外形、自身重量等也有着苛刻要求。当传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为其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。

3D打印超音速飞行冲压发动机演示组件
© Velo3D

极速的极致要求

使用3D打印，可以将冲压发动机的设计更有机，更紧凑。早期的冲压发动机有数百个不同的部件：喷射器、支柱、内部细节… 在制造过程中还需要焊接和钎焊，需要几个月的时间才能生产。通过3D打印可以将所有这些部件整合为一个部件，这样就可以一次性被3D打印出来。

通过调整入口和出口喷嘴的设计，使通过超燃冲压发动机的气流速度更高，并在燃烧器中以极速进行燃烧。理论上，超燃冲压发动机驱动的飞行器可以达到远超 5 马赫的高超音速。

无论先进的发动机是用什么材料打印出来的，最终的价值证明是其在高超音速飞行中产生的极端环境条件下有效运行的能力，从起飞到目标均按预期运行。

LIFT 就在做这方面的努力，LIFT是国防部、工业界和学术界之间的非营利性公私合作伙伴组合。LIFE由美国轻质材料制造创新研究所运营，位于密歇根州底特律市的一座工厂内。LIFT 是全国 17 个制造业创新机构之一（由国防部、能源部或商务部赞助），旨在将新技术推向商业化。

已有九年历史的底特律LIFE研究所目前正在签订 50 多个项目，其中一些项目正在参加由美国国防部制造技术计划资助、由美国国防部副部长办公室监督的“高超音速挑战” ，以用于研究和将来的工程推广。项目目标是确定哪些材料和制造工艺可以为能够进行高超音速飞行的飞行器和导弹提供最高效的开发途径。

LIFT的高超音速挑战项目由洛克希德·马丁公司负责和领导，现已完成3D打印冲压喷气发动机研究的第一阶段。

3D打印超音速飞行冲压发动机演示组件
© Velo3D

根据3D科学谷，3D打印可能是赢得超音速竞赛的关键，3D打印在其中的应用空间很大，包括金属3D打印3D打印超燃冲压发动机几乎全部的零件，3D打印热混合动力发动机中防止结冰的推进剂注射器系统，结构部件等等。还包括3D打印在陶瓷、碳纤维材料、金属陶瓷连续体等方面的应用。

3D打印超音速飞机的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

当飞行器以5马赫或以上的速度行驶时，前缘处的热量会非常高。尖锐的半径特别糟糕，会导致令人难以置信的加热，这就是为什么来自太空的再入飞行器具有相当宽的半径。但出于空气动力学目的，高超音速飞行器需要某种表面上的领先优势，并且在高超音速下存在着令人难以置信的复合和动态力量。这是空气动力学、力学、热管理和化学等学科领域的跨界融合，带来了各种有趣且重叠的挑战，而且必须使用能够在这些环境中不被熔化的极高耐温材料。

数据驱动

对于冲压喷气发动机的开发项目，需要确定在通过粉末床激光熔融3D打印技术 (LPBF) 加工Inconel 718 的制造过程中可以收集哪些数据流，然后通过完善的实验设计来理解这些数据流，从中，洛克希德·马丁公司建立了该项目中使用的质量保证验证方法。

通过数据驱动的方法来测试和认证3D打印机中的组件，而不是统计驱动的方法，在统计驱动的方法中，必须首先构建多个部件，然后才收集统计性能数据（制造和损坏）。数据驱动的目标是识别过程数据和快速后处理检查中发现的物理质量特征，以准确地认证组件是否符合高超音速飞行的严酷要求。

该项目用于3D打印冲压发动机的 LPBF 粉末床激光熔融系统是 Velo3D Sapphire 1 MZ，这台设备能够打印高度达一米的组件（最终的冲压发动机高度为 751 毫米）。Sapphire 系统设置有数百个传感器，用于在每个构建过程中监控、报告和保存指标。

Velo3D 的设备收集了大量数据，且提供了面向批量制造的足够构建空间。这种增材制造技术还能在横向的浅角度产生更好的表面光洁度。冲压发动机的壁被设计的非常薄，并且表面上有 500 微米的孔，还有陡峭的悬垂和许多额外的复杂维度。

根据3D科学谷的市场观察，国际上和国内活跃的超音速飞机发动机领域的企业有老牌的大型企业，也有新兴的创业企业，这其中包括GE, Aerojet Rocketdyne ，Reaction Engines（背后的投资者包括波音，劳斯莱斯等），雷神公司(Raytheon)、诺格公司(Northrop Grumman)等等。凌空天行是国内从事商业高超音速飞行产品研发和应用的高科技企业。

从财务角度来看，将飞机投入生产需要百亿美元，这还不包括设计、测试和制造发动机的成本。根据3D科学谷的市场观察，开发与生产超音速飞机正在承担的风险“远远超出了机身和发动机”，因为需要开发一种能够克服监管障碍的飞机，例如认证以及如何处理向超音速飞行的商业化过渡。下一步，全球范围内的3D打印超音速飞行器将走向何方，3D科学谷将保持高度关注。