3D打印助力国内外(西工大和雷神)最新高超音速飞行器制造 - 3D打印技术参考

3D打印助力国内外(西工大和雷神)最新高超音速飞行器制造

                   

2022年7月4日,由西北工业大学航天学院空天组合动力创新团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射,这在国际范围内,首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力。

这些专业的术语笔者读起来不明觉厉,专业人士对此的解释是,这款发动机可以使飞行器无论高度和速度处于什么样的状态,发动机内部的工作机制都可以稳定地进行变化。例如当火箭发射后,发动机可以平稳地从火箭模式切换到亚音速燃烧冲压模式,当速度加快至7马赫时,又会切换到超音速燃烧冲压模式,甚至还可以直接从火箭模式进入超音速燃烧冲压模式。

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再详细的说,就是飞行器在装备常规涡扇发动机时只能以高亚音速进行飞行,而要以超音速或者超高音速飞行,就需要依赖冲压发动机。西工大研发的冲压组合循环发动机实现了两款发动机的融合利用。

3D打印技术参考注意到,铂力特参与制造了该组合发动机某些关键零件,所采用的设备为BLT-S515和BLT-S600,其成形尺寸分别为500mm×500mm×1500mm和600mm×600mm×600mm。需要注意的是,只有大尺寸零件才会使用大尺寸的设备,从超燃冲压发动机的结构图可以看出,3D打印制造的可能是如燃烧室、进气道这样的大尺寸零件。

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双模式冲压/超燃冲压发动机(来源:Laser ignition of hypersonic air–hydrogen flow)

实际上,采用3D打印直接制造发动机燃烧室的提法在业内已经持续多年。不仅仅是高超音速飞行器所使用的超燃冲压发动机,火箭的发动机燃烧室也均是3D打印应用的重点。如Launcher、Rocket Lab、深蓝航天等是知名的3D打印火箭发动机制造的重要用户,NASA也采用3D打印制造了直径1米、高0.9米的一体化火箭推力室。

国内在该领域的信息公布较为保守,7月18日,美国雷神公司宣布完成第二次高超音速武器飞行试验并直言使用的超燃冲压发动机是完全3D打印的。

尤其是燃烧室,该公司高级导弹系统部门副总裁表示,3D打印一体化制造减少了传统工艺中的焊接流程以及制造成本,同时也更利于寻找减轻重量的方法,以便可以携带更多的燃料和载荷。

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超燃冲压发动机结构

超燃冲压发动机的燃烧室是整个推进系统中难度最高的零部件之一,决定了超燃冲压发动机技术的总体发展水平。其内部气流速度高、空气湍流现象严重,实现可靠点火与稳定燃烧极为困难。对于燃烧室而言,需要精密的流道尺寸控制来满足燃烧状态要求,足够的壁面耐烧蚀性来维持高速高温气流的冲刷,较高的结构强度来保证内部持续高压作用下结构完整性。对采用主动冷却的燃烧室而言,还需要结构留有细小狭长的冷却气 /液流通道,燃烧室结构更加复杂。

这都为超燃冲压发动机燃烧室的加工提出了很高要求,即使采用传统工艺能够制备,也需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到,由此,复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度,而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长,此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量,这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。

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2022年3月中旬,美国成功测试一枚高超声速导弹。这枚由洛克希德·马丁公司生产的高超音速巡航导弹从B52轰炸机上发射,以大于5马赫的速度飞行,飞行高度超过19812米,飞行距离超过482.8千米。该超声速导弹由Aerojet Rocketdyne超燃冲压发动机提供动力,而该发动机的制造采用了3D打印技术。洛克达因表示,通过使用创新的制造技术和材料,他们不仅提高了产品性能,同时大幅降低了成本和开发时间。而在此次测试中所使用的超燃冲压发动机因使用3D打印技术,使零件的数量相比此前X-51A Waverider(美国另一款高超声速武器)的发动机零件减少了95%

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