超音速飞机加快发展,美国空军投资 6000 万美元研发“世界上最快的超音速客机”-金属3D打印工厂

超音速飞机加快发展,美国空军投资 6000 万美元研发“世界上最快的超音速客机”-金属3D打印工厂插图

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超音速飞机加快发展,美国空军投资 6000 万美元研发“世界上最快的超音速客机”

| 3DScienceValley · 2022/01/17

根据国际航空的报道,3D打印-增材制造在复合材料、钛合金、高温合金等用于超音速客机承力、热端部件的材料制造方面,随着增材制造技术在制造精度、速度、质量控制等方面不断取得新突破,在标准化鉴定认证、价值链集成方面更加统一和完善,增材制造将助力超声速飞机成为商业与制造业角逐的新高地。

根据3D科学谷的市场了解,在3D打印-增材制造超音速客机的市场化进展方面,国际上,航空航天公司 Boom超音速已从美国空军 (USAF) 获得价值高达 6000 万美元的合同,以加速其即将推出的“序曲-Overture”超音速飞行飞机的研发。

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3D打印超音速飞机的应用空间© 3D科学谷

下一代飞机?

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。

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。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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 资金与更开阔的未来

航空航天公司 Boom超音速获得的6000 万美元资金由美国空军的 AFWERX 创新部门授予,旨在帮助加强 Overture 的航空和发动机测试计划,其最初的 XB-1 演示机部分使用 3D 打印制造。Overture 将能够以当今客机的两倍速度运载多达 88 名乘客,同时还使用 100% 可持续燃料,计划于 2030 年投入使用。

根据国际航空,XB-1是超声速客机“序曲”(Overture)的1:3缩比原型验证机,而“序曲”的载客量达55~75人。XB-1采用了双座设计,机长21.64m、翼展长6.4m,装载3台GE公司J85-15发动机,巡航速度Ma 2.2。XB-1后续将进行地面测试,并计划于2021年进行100%碳中和测试后实现首飞。同时,公司将完成“序曲”的推进系统设计制造并进行风洞测试和验证。当XB-1在飞行测试中突破声障后,Boom将最终确认“序曲”的设计,并在2025年推出全尺寸的超音速客机,据悉,维珍集团和日本航空公司已经预订了30架该型客机,联合航空公司订购了15 架。

据了解,作为空军潜在的未来平台,“序曲”(Overture)将提供宝贵的时间优势,这是目前国际上无与伦比的选择。

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Boom Supersonic 的 XB-1 演示机© Boom超音速,参考自:国际航空

Boom Supersonic 成立于 2014 年,根据国际航空,Boom公司于2016年宣布了XB-1超声速客机的设计方案及参数,并公开展示了其验证机。2017年,Boom公司修改了XB-1的进气道、机翼和垂尾设计方案,随后陆续与日本航空公司、Advent飞机系统公司、Stratasys公司、VELO 3D公司及美国空军等建立合作关系。2020年,Boom公司完成了静态机翼加载测试、机翼结构组装与关键对接测试,并于2020年10月推出了二代验证机“XB-1”,以证明该公司 2.2 马赫 Overture 设计的可行性。

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Boom飞机开发与组装现场

尽管这款原型机的尺寸只有“序曲”(Overture)的三分之一,但其定制的复合结构仍然包含 3700 多个部件,包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统。为了承担建造这个演示器的艰巨任务,Boom Supersonic 经常通过3D 打印来实现零件的快速制造。

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 3D打印技术为核心

根据国际航空的报道,从2019年起,Boom公司与VELO 3D公司就钛合金部件的增材制造开展了合作,VELO 3D利用该公司的“蓝宝石”系统为XB-1开发和制造了飞机关键位置零件,这些钛合金部件大多用于发动机、环境控制系统和结构部件。在XB-1演示验证机上已安装有21个钛合金增材制造部件,包括:将发动机压气机引气至飞机的外模线(OML)的可变涵道阀(VBV)系统歧管;用于冷却驾驶舱和电子系统舱的环境控制系统(ECS)的排气窗板;用于将中央进气口的二次引气流引导至外模线的窗板;NACA导管和两个分流器法兰结构部件。

金属3D打印方面,3D打印的钛零件用于发动机硬件、环境控制系统和结构件。其几何设计特征包括具有高纵横比的高而薄的外壁,这些外壁本身难以通过传统工艺(例如焊接和铸造)或大多数现有的3D打印技术来制造。其中,VELO3D独特的SupportFree打印工艺支持前所未有的设计自由度和质量控制,消除了飞机设计创新中的制造限制。

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XB-1的每台发动机均安装有可变涵道阀(VBV)系统。该系统可以排出压缩机空气以防止发动机失速。左为来自Flow前处理软件的数字模型;中为打印完成的3个零件;右为窗板叶片。

© Boom超音速, 参考自:国际航空

根据3D科学谷的了解,XB-1的开发过程充分利用了计算机仿真软件和3D打印的优势,使得设计和制造过程更快、更高效。Boom的优势在于可以在数百种计算机仿真中迭代和测试设计,相比于使用风洞对设计进行迭代,不仅成本高昂,而且非常耗时。

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Boom金属零件3D打印

工程师能够在飞机的设计过程中运行数千个计算机模拟计算,仿真和3D打印对提升Boom的设计效率很重要,基于市场对长途航空旅行的巨大需求,数十年的技术进步以及燃油效率的提高,Boom发力运行经济性大大改善的超音速客机,通过下一步要开发的Overture以便使乘机的成本与目前的公务舱旅行相当,据称已经获得了日本航空和维珍航空的预定。

Boom还试图通过使用最新的降噪技术来提高环保意识,确保其发动机的稳定性与低碳排放,面向可持续的航空燃料兼容,并建立LEED认证的装配线。

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在NACA导管的薄壁部位生成加强肋以增加结构强度

© Boom超音速,参考自:国际航空

根据3D科学谷的市场了解,Boom还采用了先进的碳纤维复合材料结构,目前采用的是模压碳纤维复合材料,该复合材料可提供出色的强度对重量比,更好地处理与超声速相关的高温。这些复合材料获得了美国联邦航空局(FAA)的批准。

Boom还跟Stratasys 建立了长期的合作伙伴关系,这使两家公司超越了快速原型制作,并为 XB-1 和可能的 Overture 生产最终用途零件

此外,诸如碳氧化硅(SiOC)之类的陶瓷材料可承受难以置信的温度。如果通过3D打印技术成型为复杂的几何形状,那其用途就更加特殊了。陶瓷材料的3D打印,可能是开发未来超音速导弹和飞机的关键。由于空气的摩擦,任何交通工具表面都会变得非常炽热,如果想要制造高超声速飞行器就需要用高温陶瓷制造整个外壳。目前,没有任何材料可以承受超音速飞行过程中产生的极端热量和压力,而 3D打印陶瓷可能就是解决这个问题的方法。

作为一项为期三年的“战略合作伙伴关系”,美国空军对 Boom超音速的投资大幅增加,这可以继续增强建设 Boom超音速的快速全球运输和后勤能力,特别是在其行政运输、情报、监视、侦察、特种作战或太平洋空军行动中。

尽管 XB-1 自 2020 年底推出以来一直没有飞行,但 Boom超音速迄今已成功获得 2.7 亿美元为其开发提供资金。在商业发布方面,Boom超音速表示“序曲”(Overture)预计将于2023年投入生产,然后在 2025 年推出,并在2030年开始载客。

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 布局下一代飞机制造阵营

越来越多的航空公司开始采用 3D 打印来优化与制造可飞行的飞机部件相关的重量、交货时间和成本。在最近的粘结剂喷射 3D 打印试验中,JPB Système 发现这项增材制造技术能够将其一些航空部件的重量减轻 30%,制造速度提高 80%。

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JPB Système 之类的公司也已开始试用 3D 打印来生产可飞行的航空航天部件

© JPB 系统。

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© 3D科学谷

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。

3D打印正在助力超音速飞机成为新的商业角逐点,根据3D科学谷的市场观察,波音和劳斯莱斯已投资2650万英镑(约合3760万美元)于英国Reaction Engines公司,致力于3D打印SABRE发动机和开发未来超音速旅行发动机方案。而Aerojet Rocketdyne 为美国国家航空航天局(NASA)和美国国防高级研究计划局(DARPA)制造的新型高超音速发动机2018年成功通过测试。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。

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,据悉,凌空天行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。

✅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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