全球首例!诺格计划通过3D打印制造超燃冲压发动机的全部零件

超声速燃烧冲压式发动机,可以在攀升过程中从大气里获取氧气。放弃携带氧化剂,从飞行中获取氧气,节省重量,就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下,超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。

而随着3D打印技术应用走向成熟,3D打印超燃冲压发动机成为各大军事领域的发动机制造商发力的重心。

X-51A WaveriderB-52机翼下的X-51A Waverider.来源:FlightGlobal

block 挑战技术瓶颈

2019年6月,美国武器开发商雷神公司(Raytheon)宣布与诺格公司(Northrop Grumman)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。

X-51A Waverider_2X-51A Waverider。来源:FlightGlobal

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

目前HAWC计划竞争者包括雷神与诺格合作的团队之外,还有洛马公司。HAWC计划主要为解决3个关键技术问题:飞行器的可行性、有效性和可负担的价格。其中牵涉的技术包括先进的高超音速飞行器配置、可持续高超音速巡航的碳氢结构推进器、处理高温巡航时产生热应力的技术、经济实惠设计和制造方式等等。

HAWC运作方式是先以火箭发动机加速到至少4马赫后,再以高速超燃冲压发动机将速度推上5到10马赫之间进行超高音速巡航。与弹道导弹的差别在于它可以在大气层内进行机动,让防守方更难预测其飞行路径,因此也更难以防御。

AGM-183A空射高超音速导弹于2019年6月已经在B-52轰炸机上进行了测试,有趣的是AGM-183A最初由洛马公司研发,早期由DARPA主导,后来由美空军执行。战术设想是利用火箭助推进入亚轨道,再完成远距离滑翔打击,最大飞行速度可达到20马赫。

可以清楚的看到的是合作研发吸气式高超音速飞行器,意味着雷神和诺格公司开始联手对抗洛马。

block 3D科学谷Review

无独有偶,就在今年6月,Aerojet Rocketdyne (洛克达因)宣布其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已经成功通过测试。

Aerojet Rocketdyne 超音速推进技术的积累已超过了30年,Aerojet Rocketdyne的超燃冲压发动机曾为创记录的X-51A WaveRider测试提供动力。

而早于2016年,美国军工巨头Orbital ATK对外公布,该公司在美国航空航天局(NASA)Langley研究中心成功测试了3D打印高超音速发动机燃烧室。3D打印高超音速发动机燃烧室不仅达到甚至超过了所有性能要求,而且也创造了同类设备中可承受最长持续时间推进风洞测试纪录,标志着超音速航空技术更进一步。

根据3D科学谷的市场观察,英国Reaction Engines公司也在设计和开发新一代创新超音速推进系统SABRE,其中也应用了3D打印技术。SABER是一种混合动力发动机,能够在低空和高空飞行, 这种混合动力发动机的发展的一个重大突破是Reaction Engines专有的换热器技术,在此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。SABRE发动机通过从大气中吸入氧气将飞机的速度推升至5.4马赫(超过6000公里/小时)甚至是25马赫的速度,然后切换至氢燃料并使用内置的液氧。为了使发动机能够在极端的大气条件下工作,它需要能够在不到百分之一秒的时间里将吸入发动机的空气流从超过1000℃降低到零下150℃。SABRE发动机做到了这一点,而且发动机因此而增加的重量微乎其微。

除了金属3D打印技术在高超音速推进系统中的应用,根据3D科学谷的市场观察,高温陶瓷3D打印技术也是超音速飞行器制造领域突破的重点领域。目前,极少有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打印高温陶瓷可能就是解决这个问题的方法。在2016年,美国HRL实验室公布了其开发的一种新技术,使用这种技术3D打印的超强陶瓷材料能够承受超过1400摄氏度高温。HRL实验室的研究在NASA空间技术研究资金的支持下获得了新进展,NASA的资金推动了HRL在耐温陶瓷制成的3D打印火箭发动机部件领域的发展。HRL 目前可 3D打印两类陶瓷。一类是大、 非常轻量级的点阵晶格结构,可以用于飞机和航天器的耐热板及其他外部部件。一类是小但复杂零件用于喷气发动机和火箭的机电系统或组件。

总体来说,3D打印技术与高超音速航天发动机制造经验的结合,为研发下一代高超音速推进系统奠定基础。

关于3D打印在发动机领域价值创造的详细剖析,敬请查阅已经发布的《3D打印与航空发动机白皮书》,并关注后期将要发布的《3D打印与航空发动机白皮书V2》

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