導(dǎo)讀：隨著(zhù)美國政府發(fā)(fā)布關(guān)(guān)于不明飛行現(xiàn)象（UAPs）的報告，"高超音速 "一詞得從新得到了人們關(guān)(guān)的注，該速度通常定位為超過(guò)5馬赫以上。無(wú)論你是否相信是外星人，大國之間的空間競爭已經(jīng)(jīng)開(kāi)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(kāi)發(fā)(fā)。

△藝術(shù)(shù)家設(shè)計的未來(lái)高超音速飛機概念圖。同時(shí)，帶有3D打印部件的推進(jìn)系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)(fā)中，以推動(dòng)飛行器達到高超音速

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

普渡大學(xué)(xué)的研究人員，正在探索一種全新的金屬3D打印技術(shù)(shù)，通過(guò)該技術(shù)(shù)，它們能夠生產(chǎn)(chǎn)出完全致密的最終使用部件，其堅固性超過(guò)了傳統(tǒng)的鑄造方法。這些零件可以滿(mǎn)足在高超音速苛刻環(huán)(huán)境下的應(yīng)用條件。

探索高超音速的技術(shù)(shù)世界

普渡大學(xué)(xué)副教授卡森-斯拉博（Carson Slabaugh）說(shuō)："5馬赫是一條難以越過(guò)的技術(shù)(shù)紅線(xiàn)。"自從他2015年在普渡大學(xué)(xué)開(kāi)始實(shí)驗室以來(lái)，他在祖克羅實(shí)驗室的20人團隊一直在研究高速燃燒系統(tǒng)。"當(dāng)飛行器高速飛行時(shí)，在機身周?chē)蛢?nèi)部流動(dòng)的空氣會(huì )發(fā)(fā)生極端的壓縮和加熱。在速度達到5馬赫時(shí)，溫度大約增加6倍，壓力增加幾百倍。同時(shí)，這種熱和機械負荷導(dǎo)致空氣動(dòng)力學(xué)(xué)、熱力學(xué)(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)(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(guò)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)(xué)反應(yīng)性。極端的流動(dòng)條件下，對于任何推力來(lái)自燃燒燃料的飛行器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，都是一項技術(shù)(shù)挑戰(zhàn)。

△Carson Slabaugh副教授在普渡大學(xué)(xué)Zucrow實(shí)驗室燃燒試驗臺前 

金屬3D打印零件

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Slabaugh和他的團隊與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)(chǎn)出這樣的零件，尤其是在極端的測試條件下，需要高強度的超合金金屬。

Slabaugh說(shuō)："通過(guò)我們的合作，我們幫助Velo3D公司設(shè)計了高速燃燒系統(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)(shù)。這就是我們在解決與先進(jìn)技術(shù)(shù)轉(zhuǎn)型相關(guān)(guān)的挑戰(zhàn)時(shí)與行業(yè)(yè)伙伴建立的那種互利關(guān)(guān)系。"

△測試室內(nèi)的火焰，可模擬高速推進(jìn)系統(tǒng)在高超聲速環(huán)(huán)境下 

它們開(kāi)發(fā)(fā)的高超音速飛行器的大部分研究和開(kāi)發(fā)(fā)，都得到了美國國家航空航天局和國防一級預(yù)算的支持。

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

Slabaugh說(shuō)："我們設(shè)計的部件將模擬在高超音速環(huán)(huán)境下運行，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。

計算流體力學(xué)(xué)（CFD）和流體結(jié)構(gòu)相互作用（FSI）等方法，可以用來(lái)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)(yōu)化設(shè)計。

解決技術(shù)(shù)難題

Slabaugh說(shuō)："一個(gè)基本問(wèn)題是，我們無(wú)法可靠地預(yù)測高超音速條件下，發(fā)(fā)動(dòng)機內(nèi)的流動(dòng)和火焰條件。

他還談到該團隊如何去解決這個(gè)問(wèn)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(lái)在地面的測試單元中創(chuàng )(chuàng)造高超音速環(huán)(huán)境。"

為了在地面上創(chuàng )(chuàng)造一個(gè)高超音速飛行器，你必須建造一個(gè)火箭發(fā)(fā)動(dòng)機，它有一個(gè)大型的、收斂發(fā)(fā)散的噴嘴，和一個(gè)超音速的極熱氣體羽流。然后將正在測試的任何部件放入該羽流內(nèi)。

Slabaugh說(shuō)。"通過(guò)Velo3D，我們?yōu)樵撊紵髟O(shè)計噴油器，以產(chǎn)(chǎn)生非常具體的湍流流場(chǎng)，以一定的速度混合燃料，并允許我們在一個(gè)非常緊湊的體積內(nèi)，穩(wěn)定一個(gè)非常強大的火焰。這為我們要在下游測試的所有東西創(chuàng )(chuàng)造了條件。"

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

為驗證這種3D打印燃燒器的性能，使用由哈氏合金X制成的一種高強度、高溫的超級合金，它可以承受高超音速環(huán)(huán)境，使普渡大學(xué)(xué)的團隊能夠迅速確定哪種設(shè)計最有效。

工程師們用五種不同的設(shè)計巧妙地改變了噴油器的流道。對于3D打印來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)調(diào)整STEP數(shù)據(jù)文件的問(wèn)題。同時(shí)，VELO3D Sapphire系統(tǒng)的打印準備軟件具備自動(dòng)適應(yīng)功能。因此，設(shè)計被打印出來(lái)后，通過(guò)了高超音速相關(guān)(guān)測試條件的考驗。

在短短兩周內(nèi)，該團隊能夠篩選出性能最好的產(chǎn)(chǎn)品，它具有他們所尋找的所有靜態(tài)(tài)和動(dòng)態(tài)(tài)特征。該高性能?chē)娪推?，符合工程師們最看重的燃燒器性?、火焰功率和火焰穩(wěn)定性等關(guān)(guān)鍵參數(shù)。

該團隊的下一步是，將一個(gè)大型噴油器陣列組裝成一個(gè)更強大的燃燒器。Velo3D正在與Zucrow實(shí)驗室進(jìn)一步協(xié)(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)(shù)的目標是在2022年底，全面實(shí)現(xiàn)高超音速測試能力。

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