透过世界第一个3D打印 Hypersonix 的超燃冲压发动机领略未来已至的超音速飞机制造时代!-金属3D打印工厂

透过世界第一个3D打印 Hypersonix 的超燃冲压发动机领略未来已至的超音速飞机制造时代!-金属3D打印工厂插图

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透过世界第一个3D打印 Hypersonix 的超燃冲压发动机领略未来已至的超音速飞机制造时代!

| 3DScienceValley · 2021/12/05

根据3D科学谷的市场观察,在超音速飞机的开发方面,目前美国在超燃冲压发动机领域占据领先地位,先后发展了多个超燃冲压发动机技术验证项目。美国还与澳大利亚联合进行了低成本HIFiRE超燃冲压发动机计划。美国遇到的超燃冲压发动机遇到的问题主要有这么两种,推力不足和燃烧不稳定。导致超燃冲压发动机进展缓慢。国内在超燃冲压发动机也取得了突破,追赶趋势明显。而这其中,3D打印在成就高超音速飞行器方面起到了关键的作用。

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© 《3D打印与航空发动机白皮书》

高超音速飞机背后的3D打印技术

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。

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© Hypersonix

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 固定几何形状的超燃冲压发动机

根据3D科学谷的了解,Hypersonix 已向 Amiga Engineering 订购了 SPARTAN 第 5 代超燃冲压发动机的3D打印零件。SPARTAN 是一种固定几何形状的自燃氢动力超燃冲压发动机,能够从 5 马赫加速到 12 马赫。

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SPARTAN 的固定几何形状意味着它没有移动部件,因此该设计适用于3D打印-增材制造。在航空航天等要求苛刻的行业中,增材制造提供了组件制造的尖端技术,能够用一些奇特的材料制造非常复杂的零件。这降低了生产超燃冲压发动机的成本和时间,同时可能增加可靠性和性能。而增材制造允许创建重量轻的高度复杂的零件,这对航天工业至关重要。

Hypersonix的SPARTAN 使用绿色氢作为燃料,因此不会产生二氧化碳排放。氢燃料还允许 Hypersonix 在燃烧器上利用再生冷却,从而允许使用现成的高温合金代替更昂贵和复杂的高温复合材料。

使用增材工程制造超燃冲压发动机将从根本上颠覆超燃冲压发动机的成本结构,是提供更实惠的高超音速飞行的重要一步。SPARTAN 超燃冲压发动机的制造是Hypersonix 于 2020 年 8 月获得的联邦政府 ACA 拨款下完成的。根据这项拨款,Hypersonix 正在建造可飞行的超燃冲压发动机和燃料系统。

Hypersonix 于 2021 年 3 月完成了 SPARTAN 的冲击隧道测试,并完成了超燃冲压发动机的最终设计和热建模。该项目符合预算并按计划进行,预计将于 2022 年 3 月完成。

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 超音速的世界大舞台

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。

2018年,GE公司完成超音速发动机初步设计,GE将旗下Affinity涡扇发动机经行特殊改装优化,采用了经过验证的超音速飞行技术,能够满足Aerion AS2的超音速飞行要求。AS2客机可搭乘12名旅客,计划2023年首飞,2025年交付运行。

Aerojet Rocketdyne在过去二十多年中投入了大量时间和资源开发3D打印/增材制造应用,以满足火箭发动机和防御系统应用的严格要求。根据3D科学谷的市场研究,近年来,Aerojet Rocketdyne在开发该技术方面取得了多项成功,产品范围广泛,包括部件原型,以及进行点火试验的完全由3D打印技术制造的发动机和推进系统。当然Aerojet Rocketdyne的背后有着传统飞机制造领域的支持者,例如波音。

而波音还与美国国防部高级研究计划局(DARPA)和Aerojet Rocketdyne签署合同,进行超音速飞行开发。根据DARPA的报告,超声速飞机将在其生产中融合“众多先进技术”。而波音和Aerojet在增材制造方面的领先优势将在此开发过程中发挥重要作用。此外,波音公司还与欧瑞康签署增材制造合作协议。

英国Reaction Engines公司成立于1989年,旨在设计和开发新一代创新超音速推进系统所需的技术,即SABRE。这款吸气式火箭发动机可以使航天器达到五倍的声速,并容易让它们无需脱离火箭即可突破轨道。金属3D打印技术在Reaction Engines公司的火箭研发工作中起到了关键作用。SABRE热交换过程中防止结冰的推进剂注射器系统使用3D打印增材制造技术制造。

美国武器开发商雷神公司(Raytheon)宣布与诺格公司(Northrop Grumman)与2019年6月合作开发一种称为吸气式高超音速概念的武器(HAWC),两公司合作的产品已准备好进行首飞,其中诺格负责制造超燃冲压发动机,雷神则制造飞行器。诺格公司打算完全通过3D打印的方式来制造超燃冲压发动机全部的零件,这将是全球首例。根据雷神公司的说法称,超燃冲压发动机将空气以高速压缩进入燃烧室内,能让飞行器可以长时间保持5倍音速以上。这种高超音速武器其定位就是吸气式,是一种使用超燃冲压发动机的飞行器,与美空军数年前测试的X-51A的原理基本一致,需要在5马赫以上的速度下完成进气道进气,这是超燃冲压发动机的技术瓶颈。

2020年12月,我国首次公开,正在研制的“超燃冲压发动机”,能达到16倍音速,2小时抵达全球任何地方,号称中国的“怪兽级”发动机。

2021年9月,北京凌空天行科技有限责任公司宣布完成逾亿元A+轮融资。经纬创投联合领投了凌空天行的A轮融资,是公司最大的机构投资人之一。

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© 凌空天行

据悉,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,拥有国内领先的专业技术团队,具备丰富的研发设计与工程实践经验,掌握了气动、控制、防热等多项核心技术,致力于商业高超音速飞行器研发与应用。

✅大唐盛世是一站式金属3D打印服务平台,长年专注于金属3D打印的设计、定制加工、小批量生产及后工序处理,拥有多年精密零件金属3D打印成型经验,旗下的大型金属3D打印生产基地位于东莞大朗镇光辉高新产业园,上万平米的打印生产制造车间,50多台高精度金属3D打印设备,CNC加工中心、4轴加工中心、5轴加工中心、三轴加工中心、铣床、数控车床、三坐标、精雕机、电火花机、钻攻机等配套设备上百台,擅长小公差、复杂结构原型、高精密度的金属零件小批量生产。为新老用户提供钛合金3D打印、铝合金3D打印、不锈钢3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。通过我们3D打印加工的产品被广泛应用于机械、医疗、通讯、电子、电器、汽车、航空航天等各行各业。公司自成立以来始终坚持:为客户提供满意的产品和服务的基本质量方针,严格执行ISO9001质量管理体系,加强6S质量体系的内部实施,并且通过全体员工的共同努力,让每一位客户对我们的服务及产品质量都表示满意。金属3D打印定制就到大唐盛世!

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