【行业动态】3D金属打印让超高音速飞行技术获得突破
导读：近日，美国一家企业通过金属3D打印制造出了一个内部几何通道非常复杂的热交换器，可以解决超高音速飞行过程中关键的散热问题，为此美国空军宣布给予第二期工程资助。
这将会很快，非常非常快！比音速还要快25倍！
1986年2月4日，当时的里根总统预测了未来航空革命：超高音速飞行。为此，他宣布开发新型航天器“东方快车”计划，该飞行器从杜勒斯机场起飞，加速到声速的25倍，进入低地轨道，从华盛顿飞到日本东京仅需两个小时！
然而，这项最后被正式名称为“美国国家宇航飞机”的计划却以失败收场，因为直到2017年，超高音速飞行的技术挑战还没有解决，但是新技术的出现已经有望克服半个多世纪以来超高音速飞行问题。
超高音速飞行一直是一个技术难度非常高的挑战，在20世纪50年代，这一问题就基本上清晰：空气动力学阻力大体上与飞行速度的平方成比例，飞行速度加倍则飞行阻力增加四倍。
流线型的外形可以部分地克服这个问题，但现在最关键的问题是推进系统。火箭发动机也许可以提供必要的推力，但它会在短短几分钟内就消耗掉所有的燃料。而且火箭发动机还必须自己携带氧化剂和燃料，这将增加成本和重量。
航空发动机是一个明显更好的答案，因为它们直接从空气中吸收氧气。然而，压缩空气、增加燃料并确保在极高的飞行速度下成功点火也极具挑战。超音速冲击波必须通过复杂的机械系统进行处理，同时解决燃烧不稳定性也需要复杂的系统。
总结起来，最大的问题就是一个字：热。从二十世纪五十年代中期开始，飞机的飞行速度基本停滞在马赫速2，如果速度想更快不是受限于可用的推力限制，就是由于大气摩擦引起的热量累积。涡喷发动机和冲压式发动机同样如此：在5马赫速或更高的超音速下，现有的航空航天合金都会燃尽。
矛盾的是，非常高的燃烧温度是高推力的关键，这对于高速飞行至关重要。
这是一个双刃剑式的热问题。
总部位于科罗拉多州的钴基合金化学反应系统公司（简称：金属反应公司）首席运营官杰夫-恩格尔对这个“热问题”提出了新的解决方案，可能为实际超高音速飞机推进系统打下基础。恩格尔说：“我们正在研发一种吸热式的燃料系统。在超高音速飞行中，当飞行速度越来越快时，机体，发动机，特别是燃烧器中的热负荷变得如此之高，使得任何材料在该环境中都无法生存，因此您必须不断冷却燃烧器零件。我们正在开发一种燃料系统来专门吸收燃烧器的热负荷，使得整个飞行器的最终速度更快。”
那么吸收热量后又怎么散热呢？总不能把散热器挂在气流中。
在超高音速飞行速度下，它会在几秒钟内燃烧飞行器机身，这意味着传统的传热过程已经无法再发挥作用了。这就是为什么金属反应公司的吸热燃料系统可以工作：热量并不直接散热到外部环境中，而是被当作散热工作流体的燃料吸收。”
恩格尔所说：“通过热交换器，我们将可以将吸热后的燃料再次冷却下来。在目前的飞行速度下，航空煤油燃料也被用于冷却，但是有一个明显的限制，那就是燃料吸收的热量不能太多，如果燃料过热在通过换热器时，会导致燃料通道出现焦化，最终堵塞燃料通道，让整个飞行告吹。而我们正在研发一种新的燃料和催化剂系统，让热交换器中实际吸收比传统燃料更多的热量。”
金属反应公司的吸热燃料是一项关键的技术，但是将热量转移到工作流体，同时在热交换器内提供最大的催化面积，基本上不可能用传统的热交换器制造技术实现。
而“3D打印”制造能够解决这一问题。
在科罗拉多州的阿瓦达市，位于金属反应公司附近的福斯特森工具公司不仅仅是一个简单的机械公司。该公司为美国航空航天局NASA和几个主要的航空航天OEM厂商成功制造过很多部件，包括最新的F-35战机部件，它在五轴加工和电火花加工方面拥有丰富的经验。
该公司最近通过购置Concept Laser公司的M2 cusing Multilaser获得了金属3D打印制造能力，该机器可以打印250 x 250 x 280mm的零件、双激光头并行金属3D打印、20-80微米层厚度、以及批处理航空航天“热断面”超级合金的能力。
恩格尔表示：“我相信这就是我们需要的制造技术。由于在热交换器通道内需要一定量的催化剂进行化学反应，为了获得我们需要的燃料流量接触面，我们需要把热交换器的直线通道设计成蛇形路线，以保证更多的表面积。而这是传统制造技术几乎无法实现的，而通过3D金属打印制造技术，我们可以创造出更多的表面积，从而产生更多的燃料接触。”
而且，福斯特森工具公司的M2 using Multilaser机器可以使用各种高性能合金材料，包括钴铬等级、Ti6Al4V、纯钛和金属反应公司用于制造热交换器的铬镍铁合金718材料。
金属反应公司与美国空军合作的第一期工程非常成功，已经证明了这种新燃料系统可以比传统燃料吸收更多的热量，已经被美军空军授予了第二期工程。恩格尔说：“整个过程很简单，我们对空军说，我们希望在更实际的环境中进行样机测试，将这项技术提升到一个新的技术水平。因此，我们建议我们制造一个冷却面板，以取代帕特森空军基地中可在地面进行试验的超燃冲压发动机的一块侧壁。他们很喜欢这个想法，但他们希望这个侧壁通过3D打印制造，然后我们委托福斯特森工具公司制造了出来。然后我们通过CT扫描和X射线，显示我们设计的内部几何形状，这是空军相信我们可以做到的关键。”
通过M2 cusing Multilaser设备来制造零件，与传统的机械加工和多轴加工完全是一个不同的过程。作为一个客户驱动型制造技术，福斯特森工具公司副总裁Heidi Hostetter表示：“我们听取了伍德沃德，巴尔航天公司，洛克希德-马丁公司等客户的声音，以及其它小型、中型和大型的客户的意见。所有人都说，他们希望人们能够真正了解3D打印制造的细微差别。”
麦克-穆塞尔和M2 cusing Multilaser金属3D打印机器
Concept Laser项目经理麦克-穆塞尔。Mussel解释了如何将薄金属粉末层融合成零件：“我们的M2 cusing Multilaser设备是一台双激光头并行金属3D打印机。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。”
另外，这种金属3D打印制造与传统加工不同的是制造过程中没有虎钳或机械夹具。
穆塞尔解释说：“是的，对于金属3D打印，它既是一个热问题，也是一个几何问题，所以创建与该零件一起使用的支撑结构也非常重要。如果你搞砸了你的支持结构，可能导致零件不能构建或者过度构建。那么你必须停下来重新开始。弄清楚如何定位和支撑这一零件这是金属3D打印的一个挑战。”
对于金属反应公司的新型热交换器，他补充说，M2 cusing Multilaser机器可以工作得很好。
他还表示：“X-15高超音速火箭飞机测试飞行半个世纪后，我们开始进入载人高超音速飞行时代，我们可能很快就可以制造出空气呼吸的超音速冲压式喷气发动机，这将使我们能够在两个小时内从美国飞往亚洲。”
在20世纪50年代末引进涡轮喷气式飞机，对于航空工业来说是一个彻底的变革，然而，如果从制造业角度来看，其意义可能更大。而现在3D打印制造技术让一家小型企业就可以带来航空工业革命性的变化，那么随着3D打印制造技术的普及，相信航空工业的未来将更多来自小型企业而非巨型公司。
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