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仿真与3D打印重塑超音速飞行未来的单座测试飞机

时间:2020-07-31 14:34 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

    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。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,这是全球首例。

      而如今,3D打印不仅在超燃冲压发动机方面,而是在包括碳纤维材料及更多零件的制造方面,重塑超音速飞机的飞行未来。

Air plane_Raytheon_Northrop Grumman_HAWC_1

block 仿真结合3D打印

     Boom开发的Boom XB-1并非是客机尺寸,而是缩小版的Overture超音速飞机的原型,这个原型将对大型喷气式飞机的成功至关重要的组件进行测试。

Video Cover_Air plane_Boom_4Boom超音速飞机的开发与组装现场

Boom将于2020年10月7日举行XB-1的现场公开演示,该飞机将测试并演示用于开发更大的超音速Overture的原理,Overture是一架针对商业运营商的客机。通过XB-1将证明安全、高效和可持续的超音速旅行的关键技术。

Air plane_Boom_2Boom超音速飞机

较小的飞机与Overture的不同之处在于,它拥有三台现成的J85通用电气发动机,并使用加力燃烧器进行超音速飞行。不过这两种飞机相同的地方是都将从模压碳纤维复合材料中受益,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。这些复合材料直到最近才获得美国联邦航空局(FAA)的批准。

Air plane_Boom_3Boom超音速飞机经历数百种仿真迭代

这两架飞机还利用计算机仿真软件和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。

Air plane_Boom_4Boom超音速飞机

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。

关于碳纤维在飞机领域的应用,根据3D科学谷的市场研究,3D打印部件会在边界处通过裂纹扩展、分层或发生其他失效缺陷。为了获得熔融长丝制造的最佳材料性能,聚合物长丝和所得喷嘴挤出来的熔融材料必须具有均匀且光滑的表面。

block Review

block 碳纤维

    在这方面,美国硅谷的一家Arevo Labs公司通过对3D打印材料(和用于熔融长丝制造的喷嘴挤出物)实现更平滑和均匀的表面光洁度以提高材料性能并改善3D打印性能。而另外一家来自美国加州的企业Arris Composites最近还获得了4850万美金(约人民币3.4亿)的B轮融资,其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

       Arris Composites通过其专有的Additive Molding™制造技术实现了高强度和轻量化复合零件的批量生产。通过这种新工艺,可以以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料。为了释放应用端的潜力,Arris Composites为企业内部设计协作和应用工程团队开发了独特的软件工具。现在,应用端可以通过Arris Composites的设备和软件设计和生产以前不可能的产品,这些产品具有高度集成性,比金属更坚固、更轻。

block 超音速发动机

l GE

发动机方面,2018年GE公司就宣布该公司已经完成了半个世纪以来首个商用喷气式飞机专用超音速发动机和首个民用超音速发动机的初步设计。该公司将旗下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。AS2客机可搭乘12名旅客,计划2023年首飞,2025年交付运行。

l  洛克达因

其他制造商也在超音速发动机领域纷纷取得了巨大进展,根据3D科学谷的市场观察,就在2019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。

l  Orbital ATK

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。

l  Reaction Engines

      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。

block 高温陶瓷

      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。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。

(责任编辑:中国3D打印网)

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