【前沿动向】增材制造技术或将成为高超声速飞行器发展的关键
图1 雷锡恩公司的3D打印机
高超声速飞行器设计要兼顾质量/有效载荷、气动、热防护、一体化设计等一系列的要求，可能采用比传统飞行器更复杂的结构。而增材制造在实现这些复杂几何形状的构件制造上有先天的优势。ATK公司目前正在使用EOS M280 3D打印机为美国高超声速吸气武器方案（HAWC）项目的第一阶段制造零部件。而英国反应发动机公司采用增材制造技术实现了佩刀发动机缩比模型的喷油嘴的制造（图2），降低了制造难度，该发动机于2015年进行了点火实验，在测试中成功点火15次。General Electric公司通过增材制造将原先由20个部件组成的复杂喷气发动机喷油嘴一次成形（图3），并且设计有复杂的冷却循环通道，使得部件的耐久性提高到原来的5倍。
图2 增材制造的佩刀发动机喷油嘴
图3 General Electric公司3D打印的喷气发动机喷油嘴
高超声速飞行器非线性特性、强耦合特性、快时变特性等特点对高超声速飞行器结构设计提出了更为苛刻的要求。增材制造技术可以自由成形，不再受限于物体形状的限制，可以最大限度使用拓扑优化技术，实现最优化的结构设计。在保证各种性能的前提下，将复杂结构优化成重新设计的简单结构，从而起到减重的效果；同时优化设计后的结构零件，应力分布也更加合理均匀，减少了应力集中现象的产生，有利于提高零部件的可靠性，对未来可重复使用的高超声速飞行器有着更为重要意义。
图4 Airbus A320的门栓部件
拓扑优化后质量由918g减重到326g，减重64%
增材制造技术在复杂形状复合材料加工及快速成型上的优势，能进一步促进陶瓷基复合材料、功能梯度材料、金属基复合材料等在高超声速飞行器上的应用。2016年1月美国休斯研究实验室（HRL）通过包含硅、碳、氧的特殊树脂已经能够制造出结构复杂、耐高温且缺陷少的陶瓷基复合材料（图5），该陶瓷材料可承受高达1400摄氏度的高温而不会开裂和收缩，材料强度提升至当前相同密度陶瓷材料的10倍，制造速度较采用早期增材制造技术提升100到1000倍，未来有望应用到高超声速飞行器。
图5 HRL使用增材制造的蜂窝状陶瓷材料
高超声速飞行器很多部件都采用价格昂贵的材料，如钛合金、镍基合金、复合材料等，导致了高超声速飞行器的制造成本很高。传统工艺往往采用切削加工，95%~97%的昂贵材料被切除。而增材制造技术材料利用率接近100%。美国Next Big Future报道称3D打印火箭发动机技术将会使未来发动机的设计更加简单并具有更少的零部件，增材制造技术未来可以最终使发射成本降低50%。美国高速打击武器（HSSW）项目在2015年发布的技术成熟项目征询公告，提出考虑应用增材制造等先进制造工艺对HSSW的部件进行制造，以减少部件数量、降低制造成本以及后勤保障需求。
高超声速飞行器技术的快速迭代对高超声速试验飞行器的快速制造提出了迫切的需求。增材制造技术利用三维设计数据在设备上可快速而精确地实现复杂形状的组件、试验模型及工装模具的快速制造，为快速研制提供保障。欧洲HEXAFLY项目通过增材制造试验飞行器的缩比模型（图6），大大降低了制造难度和周期，这为HEXAFLY项目提供了快速研制保障。美国SpaceX公司利用增材制造技术制造出耐高温SuperDraco火箭发动机镍合金燃烧室，并于2014年对该燃烧室进行了热试车测试（图7），该发动机燃烧室从设计到热试车只用了三个月的时间，周期大大缩短。
图6 增材制造的HEXAFLY飞行器缩比试验模型
图7 SpaceX公司3D打印的火箭发动机燃烧室（左），
及该发动机燃烧室进行的热试车测试（右）
作者：北京海鹰科技情报研究所 刘晓明
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