普渡大學(xué)宣稱成功3D打印5馬赫高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)原型

2024年3月18日，南極熊獲悉，普渡大學(xué)的研發(fā)中心普渡應(yīng)用研究所（PARI）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)宣稱，他們正在利用3D打印技術(shù)開發(fā)一個(gè)完全可操作的超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（scramjet）原型，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠使飛機(jī)以5馬赫及以上的速度飛行。

△PARI高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心的科研人員，從左至右依次為通用電氣增材制造公司首席增材制造工程師Nate Humbert、航空航天研究生助理Will DeVerter、HAMTC加工工程師Gregg Lubas和HAMTC高級測試工程師Nick Strahan

PARI高超音速先進(jìn)制造技術(shù)中心（HAMTC）的研究人員認(rèn)為，這種創(chuàng)新的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，為整個(gè)高超音速行業(yè)提供了更經(jīng)濟(jì)、更便捷的原型設(shè)計(jì)和制造工藝。

與高級測試工程師Nick Strahan一起制作全尺寸scramjet原型機(jī)的研究生助理研究員Will DeVerter說：“目前，尚無其它大學(xué)附屬機(jī)構(gòu)具備制造高超音速技術(shù)，并能在與飛行相關(guān)的規(guī)模和條件下進(jìn)行測試的能力。一旦我們獲得可用的部件或系統(tǒng)，我將能夠?qū)⑺鼛У浇謱γ�，并利用世界上最先進(jìn)的推進(jìn)和診斷技術(shù)進(jìn)行測試。這種獨(dú)特的能力將簡化整個(gè)制造和測試過程。”

Strahan說：“在超過2馬赫的氣流速度下，為了保持燃燒器內(nèi)的火焰不熄滅，需要進(jìn)行操作或設(shè)計(jì)燃燒器，以確保在高速氣流中依然能夠有效地燃燒燃料。”他將scramjet的功能比作試圖在颶風(fēng)中點(diǎn)燃蠟燭。

PARI公司總裁兼首席執(zhí)行官M(fèi)ark Lewis說：" Scramjets仍處于起步階段，但被普遍認(rèn)為是推動(dòng)導(dǎo)彈或飛機(jī)以超過五倍音速的速度穿越大氣層（即所謂的高超音速領(lǐng)域）的最佳方式。Scramjets的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，這就是為什么3D打印的使用會(huì)有如此大的突破。

△早在2022年，普渡大學(xué)與Velo3D打印高超音速金屬零部件

開發(fā)超音速燃燒原型沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)節(jié)工作

位于PARI高超音速和應(yīng)用研究設(shè)施內(nèi)的增材制造中心，為可過渡到國防市場的制造創(chuàng)新提供一站式服務(wù)。

HAMTC執(zhí)行主任、萊利航空航天學(xué)教授Michael Sangid表示，全尺寸scramjet原型展示了該中心徹底改變高超音速產(chǎn)業(yè)的潛力。他指出，scramjet試驗(yàn)項(xiàng)目是他們垂直整合能力的一個(gè)很好的例子。該項(xiàng)目在短短幾個(gè)月內(nèi)將原始粉末轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場原型，并提供了代表性測試數(shù)據(jù)，將增材制造的靈活性融入到部件設(shè)計(jì)中，從而提高了效率。

原型的關(guān)鍵在于，需要在保持發(fā)動(dòng)機(jī)功能和幾何復(fù)雜性的前提下，減輕重量和減少零件。這項(xiàng)工作是通過GE Concept Laser X Line 2000R打印機(jī)完成的，這是一種用于大規(guī)模金屬制造的打印機(jī)。

△2023年，普渡大學(xué)應(yīng)用研究所耗資4100萬美元在校園內(nèi)開設(shè)高超音速和應(yīng)用研究設(shè)施

3D打印在航空航天領(lǐng)域的潛力

該原型不僅利用了PARI的設(shè)備，還作為實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)的試驗(yàn)臺(tái)（增材制造中心毗鄰普渡大學(xué)的Maurice J. Zucrow實(shí)驗(yàn)室）。該項(xiàng)目將PARI的制造能力與Zucrow的高速推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)施整合在一起，后者可以模擬5馬赫以上的條件，并提供基于激光的高速材料診斷。

更快、更高效的流程最終將降低成本，并有助于滿足國家對更先進(jìn)的高超音速技術(shù)的需求。高級項(xiàng)目經(jīng)理David Bretz負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)該項(xiàng)目的各個(gè)方面，他認(rèn)為該項(xiàng)目對國家安全和國防工業(yè)具有潛在影響。

△金屬3D打印終端部件是航空航天領(lǐng)域使用最廣泛的部件之一

他表示：“由于scramjet設(shè)計(jì)速度更快、成本更低，我們將能夠更容易地對其進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測試，然后返回并迭代設(shè)計(jì)，這將有助于國家的高超音速知識庫和能力的提高。”此外，從設(shè)計(jì)到制造過程再到測試，學(xué)生們參與了項(xiàng)目的方方面面。普渡大學(xué)的學(xué)生，從本科生到研究生，都在學(xué)習(xí)在高超音速行業(yè)工作所需的技能。

普渡大學(xué)成功打印了scramjet原型，這一成果標(biāo)志著在高超音速技術(shù)領(lǐng)域邁出了重要一步。這一突破意味著在高超音速領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，為未來的研究和開發(fā)提供了有力支持，同時(shí)也展示了3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的巨大潛力。