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金屬3D打印零件將進(jìn)入高超音速飛行器領(lǐng)域

魔猴君  行業(yè)資訊   800天前

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導(dǎo)讀:隨著美國政府發(fā)布關(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)的注,該速度通常定位為超過5馬赫以上。無論你是否相信是外星人,大國之間的空間競爭已經(jīng)開始,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)研和開發(fā)。

△藝術(shù)家設(shè)計的未來高超音速飛機(jī)概念圖。同時,帶有3D打印部件的推進(jìn)系統(tǒng)正在開發(fā)中,以推動飛行器達(dá)到高超音速

具體的說,"超音速 "指的是在1馬赫時突破音障的飛機(jī)(如現(xiàn)已退役的 "協(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3500英里/小時。但是當(dāng)達(dá)到這個速度的上限時,就進(jìn)入了高超音速環(huán)境。

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

探索高超音速的技術(shù)世界

普渡大學(xué)副教授卡森-斯拉博(Carson Slabaugh)說:"5馬赫是一條難以越過的技術(shù)紅線。"自從他2015年在普渡大學(xué)開始實驗室以來,他在祖克羅實驗室的20人團(tuán)隊一直在研究高速燃燒系統(tǒng)。"當(dāng)飛行器高速飛行時,在機(jī)身周圍和內(nèi)部流動的空氣會發(fā)生極端的壓縮和加熱。在速度達(dá)到5馬赫時,溫度大約增加6倍,壓力增加幾百倍。同時,這種熱和機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致空氣動力學(xué)、熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的制度完全改變。"

5馬赫以上的速度飛行,這時大氣中的空氣在沖過時的溫度是幾千度,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)反應(yīng)性。極端的流動條件下,對于任何推力來自燃燒燃料的飛行器系統(tǒng)來說,都是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

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

金屬3D打印零件

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),Slabaugh和他的團(tuán)隊與VELO3D合作,打印具有復(fù)雜幾何形狀的燃料噴射器,以實現(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)出這樣的零件,尤其是在極端的測試條件下,需要高強(qiáng)度的超合金金屬。

Slabaugh說:"通過我們的合作,我們幫助Velo3D公司設(shè)計了高速燃燒系統(tǒng),同時,他們教會了我們,如何更好地利用3D打印技術(shù)。這就是我們在解決與先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)型相關(guān)的挑戰(zhàn)時與行業(yè)伙伴建立的那種互利關(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)境下 

它們開發(fā)的高超音速飛行器的大部分研究和開發(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)成本也很高,所以該團(tuán)隊希望盡可能的節(jié)省成本,就像普渡大學(xué)的那個設(shè)施一樣,Slabaugh的團(tuán)隊正在地面建設(shè)了一個驗證飛行器發(fā)動機(jī)部件的是測試場所。

Slabaugh說:"我們設(shè)計的部件將模擬在高超音速環(huán)境下運行,同時,它們不需要上天或移動,并保持與地面的螺栓始終連接。

計算流體力學(xué)(CFD)和流體結(jié)構(gòu)相互作用(FSI)等方法,可以用來模擬材料和結(jié)構(gòu)在空氣或液體流動中的行為。這使得工程師在制造任何東西之前就能優(yōu)化設(shè)計。

解決技術(shù)難題

Slabaugh說:"一個基本問題是,我們無法可靠地預(yù)測高超音速條件下,發(fā)動機(jī)內(nèi)的流動和火焰條件。

他還談到該團(tuán)隊如何去解決這個問題:"我們與Velo3D合作制造了一個非常大的3D打印燃燒器,它將被用來在地面的測試單元中創(chuàng)造高超音速環(huán)境。"

為了在地面上創(chuàng)造一個高超音速飛行器,你必須建造一個火箭發(fā)動機(jī),它有一個大型的、收斂發(fā)散的噴嘴,和一個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。"通過Velo3D,我們?yōu)樵撊紵髟O(shè)計噴油器,以產(chǎn)生非常具體的湍流流場,以一定的速度混合燃料,并允許我們在一個非常緊湊的體積內(nèi),穩(wěn)定一個非常強(qiáng)大的火焰。這為我們要在下游測試的所有東西創(chuàng)造了條件。"

3D打印噴射器可產(chǎn)生穩(wěn)定、強(qiáng)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(qiáng)度、高溫的超級合金,它可以承受高超音速環(huán)境,使普渡大學(xué)的團(tuán)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打印來說,這只是一個調(diào)整STEP數(shù)據(jù)文件的問題。同時,VELO3D Sapphire系統(tǒng)的打印準(zhǔn)備軟件具備自動適應(yīng)功能。因此,設(shè)計被打印出來后,通過了高超音速相關(guān)測試條件的考驗。

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

該團(tuán)隊的下一步是,將一個大型噴油器陣列組裝成一個更強(qiáng)大的燃燒器。Velo3D正在與Zucrow實驗室進(jìn)一步協(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)完善和組裝一個完整的燃燒器系統(tǒng),該技術(shù)的目標(biāo)是在2022年底,全面實現(xiàn)高超音速測試能力。



來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/43117.html

   

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