兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造

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高超声速武器是指以高超声速飞行技术为基础、飞行速度超过6倍声速的武器。这类武器航程远、速度快、结构简单、性能超卓，能够快速打击远程目标，在军事上具有很重要的意义，被军事专家称为继螺旋桨、喷气推进器之后航空史上的第三次革命性成果。本文归属于武器装备增材制造《专题一》。

高超声速武器与超燃冲压发动机

高超声速武器主要包括高超声速制导炮弹、侦察机、巡航导弹、钻地弹、轰炸机等。作为高超声速武器的源动力之一，超燃冲压发动机的研制成为军事强国竞争的焦点。2015年，我国首次公开证实成功研制超燃冲压发动机并实现高超声速飞行器自主飞行实验，因此成为继美国之后第二个实现以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器自主飞行的国家。

 超声速飞行器与常规飞行器也不尽相同

超燃冲压发动机与常规火箭发动机的不同之处在于，前者在攀升过程中直接从大气里获取氧气而不必携带氧化剂，发动机内部的流动是超音速的，因此燃料的点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴。

超燃冲压发动机工作过程

超燃冲压发动机的整个结构在工作过程中整体会处于非常高的温度状态，当飞行速度为6倍声速时，燃烧室温度达2700 K左右，进口处的温度甚至也达到1500K。因此发动机各部分结构的热防护具有非常高的要求，目前在超燃冲压发动机各组成中，大量使用再生冷却热防护技术（推进剂先流过推力室内外壁间的冷却套，带走燃气传给室壁的热量，然后进入喷注器喷入燃烧室的外冷却）。

超燃冲压发动机结构

传统加工手段为何难以制造

以超燃冲压发动机燃烧室为例，该部件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。

再生冷却薄壁夹层结构

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。

3D打印成为解决结构问题的关键技术

包含如此精密流道的超燃冲压发动机再生冷却燃烧室在几年前几乎无法实现，直至引入3D打印技术后才得以解决，而该技术也成为解决这一结构问题的关键所在。

与火箭发动机再生冷却系统相比，超燃冲压发动机主动冷却系统中冷却通道尺寸更小 (水力直径约2 mm)，冷却通道入口流动 Reynolds 数更低。2016年，美国ATK公司采用激光粉末床熔融技术，实现了燃烧室的一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度，而且有效提高了燃烧室的整体性能。

超燃冲压发动机测试过程

为了测试粉末床熔融工艺可以达到的强度，该型燃烧室在兰利测试中心进行了为期20天的风洞测试，其间对多个高超声速飞行工况进行了模拟试验，试验中燃烧室工况达到了前所未有的持续推进时长。根据测试结果，该型燃烧室成功通过了全部考核试验，而没有出现结构失效，甚至在超出预期实验条件的情况下仍然保持了良好的状态，超额达到了设计要求，充分说明了激光粉末床熔融技术的实用性。

采用3D打印制造超燃冲压发动机全部零件，可能并非纯金属打印

采用3D打印制造带有复杂冷却流道的推力室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求。今年7月，美国武器制造商雷神宣布开发一款新型吸气式高超音速武器，其中源动力超燃冲压发动机的全部零件将采用3D打印制造。

笔者认为此处所谓的全部零件应当是全部的核心部件，如进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管，这在技术上是可行的。当前，激光粉末床熔融技术的最大成型尺寸达800×400×500毫米（Concept Laser X line 2000R），制造精度也可达到0.05mm；在材料方面，高温合金也常被用于制造再生冷却结构。但超燃冲压发动机的热防护是一个极复杂的工程，涉及的材料和结构要求繁多，金属打印和金属高温材料可能并不是唯一选择。

HRL开发的3D打印陶瓷耐高温达1700℃受到军方重视

2016年，休斯研究实验室创新性的提出了3D打印SiOC的方法，它采用一种新研制的预陶瓷化树脂为原料，将该型树脂通过3D打印固化成型后在惰性气体氛围中加热至接近1000℃高温，使材料中的树脂充分反应、形成完全的陶瓷化状态，从而得到需要的陶瓷基复合材料。该类 SiOC 材料具备的优秀性能，耐高温温度超过1700℃，有望达到航空器动力系统与高超声速飞行器的大型构件，电子设备与微机电系统中复杂部件等的使用要求，因此受到了美国空军实验室的重点关注。后者以此为基础进行了一系列的测试及风洞试验。

美X-51A超燃发动机飞行器

因此，对于采用3D打印制造超燃发动机所有零件的提法，国外公司所采用的可能并不是单纯的金属打印技术和高温材料。相对来说，更高级别的打印技术和更高性能的材料，应当是国内有必要关注的。

END

相对于国外的高调，国内显得很是默默无闻，然而这并不意味着中国真的就寂静无声。笔者在查询资料的过程中，美国的专家反复的提到中俄是否在开发同类技术，同样的，中国何尝不是把他们当做假想敌？由于国内的技术通常处于秘而不宣的状态，但从众多的研究资料和媒体报道来说，中国的水平并不能称之为落后，更有可能是保持在同步的水平。2018年12月，中国航空工业空气动力研究院发布消息称，我国10马赫超燃冲压发动机风洞试验获得成功。

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