最近，美国政府发布了一份关于不明空中现象(uap)的报告，该现象具有“不可能的”飞行行为，其速度超过了定义该词的临界5马赫水平，“高超音速”一词重新引起了人们的关注。[参考资料:2021年6月25日，国家情报总监办公室初步评估:不明空中现象。无论你是否相信这是外星人、竞争对手国家，还是国内研发(或者以上都是?!)，在持续的谜团背后，具有闻所未闻的速度和灵活性的交通工具的诱惑是令人信服的。
“超音速”是指以1马赫的速度突破音障的飞机(如现已退役的协和飞机和正在崛起的Boom超音速飞机)，并扩展到5马赫左右，这是声速的5倍，在海平面上的速度超过3500英里/小时。但是非常奇怪的事情开始发生当达到最高速度时——你进入超音速环境。
普渡大学的研究人员正在学习，探索这种不寻常的环境最终成为金属3D打印的完美试验场。他们最近的工作表明，先进的增材制造(AM，又名3D打印)技术现在能够生产完全致密的最终用途部件，具有超过铸造等传统方法的坚固性。可以创造高超音速条件的部件，并活下来讲述故事。
高超音速的奇异世界
普渡大学副教授卡森·斯labaugh说:“在5马赫左右，你就会越过一条线。”自2015年他在普渡大学开设实验室以来，他在Zucrow实验室的20人团队一直在研究高速燃烧系统。“当飞行器飞得那么快时，机身周围和内部流动的空气会受到极大的压缩和加热。在5马赫时，温度增加了6倍压力增加了几百倍。与低速系统相比，这种热和机械载荷会导致空气动力学、热力学和结构力学的状态完全改变。”
根据斯拉博的说法，这意味着，即使只是在重力作用下返回大气层，“你也在以高超音速穿过火球。”当宇航员从国际空间站返回地球时，就会发生这种情况，这就是为什么他们的模块有巨大的隔热罩保护。
但如果你想用可控的飞机、无人驾驶飞行器或导弹实现动力高超声速飞行，你就需要增加一个发动机，这就是它真正激烈的地方。
在5马赫以上，大气空气的温度是几千度，压力是几百psi。如果你飞得足够快，空气本身甚至会发生化学反应。这些极端的流动条件对任何推力来自燃烧燃料的车辆推进系统都是一个挑战。
“如果进来的空气太热，你真的不能通过燃烧燃料来增加更多有用的能量。解离效应变得非常强，反应无法继续完成，”斯拉博说。“在这样的飞行速度下，冷却也变得极其困难。”为了避免火箭科学家戏称的“意外快速拆卸”，祖罗实验室的团队专注于了解发动机达到高超声速时必须考虑的临界湍流(反应)流物理的一切可能。
为了迎接这一挑战，斯拉博和他的团队与开发和销售金属3D打印机的VELO3D公司合作，“打印”出具有复杂几何形状的喷油器，实现非常高的燃料-空气混合性能。这些部件无法用传统的制造方法制造出来，尤其是无法用高温、高强度的金属高温合金来承受极端的测试条件。这些团队一起工作，快速建立普渡大学团队设计的原型，用于测试、评估和设计迭代。然后，斯拉博和他的团队利用原型机的数据将他们的设计扩大到一个全尺寸的系统，VELO3D也制造了这个系统。
Slabaugh表示:“通过我们的合作，我们帮助VELO3D了解高速燃烧系统的设计要求，他们教会了我们如何更好地设计增材制造。“这是我们在解决先进技术转型相关挑战时与行业合作伙伴建立的一种互利关系。”
为什么连高速计算都跟不上
由于为高超声速条件设计和制造部件——更不用说试图让飞行器飞得那么快——是可以理解的昂贵，因此开发高超声速能力的大部分研发都得到了NASA和国防级预算的支持。这些系统的飞行测试非常昂贵，而且对用于研究目的的实际测量有很大的限制。工程师们严重依赖地面解决方案来开发新技术，同时控制成本。他们正在重现高超声速飞行的条件，并在地面测试设施中验证发动机部件——就像普渡大学的一个测试设施一样，斯拉博的团队正在建造一种永远不会离开地球的火箭。
他说:“我们设计的组件将在时速为零英里的情况下体验高超音速环境，并保持固定在地面上。”
这比听起来更难——因为这实际上是火箭科学。一段时间以来，先进的计算机模拟软件一直是需要探索复杂物理和物理结构之间关系的工程师的宝贵工具。计算流体动力学(CFD)和流固相互作用(FSI)等方法可用于模拟材料和结构对空气或液体流动的响应行为，使工程师能够在制造任何东西之前优化他们的设计。
但事实证明，高超音速是极其不可预测的，甚至击败了最复杂的计算机模拟能力。
斯拉博说:“一个根本问题是，我们无法可靠地预测高超声速条件下发动机内部的流动和火焰状况。”“用CFD模拟湍流是非常复杂的;我们处于如此极端的湍流和流动条件下，我们无法捕捉到火焰演变过程中发生的一切。在流动中，密度、粘度、速度、种类等都在不断变化，而当你加入机械结构(如发动机壁)来控制火焰时，冷却设计就会变得更加复杂，这也会影响流动和火焰。即使是分析这个引擎最小的部分所需要的计算能力也是非常昂贵的，最终的结果是必须为集成设计分析做出许多简化假设。”评估这些假设及其对模型准确性的影响是斯拉博工作的一个关键主题。
3D打印为具有高超音速的部件提供了更快的解决方案
那么，如何让工程师摆脱这类问题呢?把模拟抛在脑后，回到现实世界中经典的“建造和破坏”(或者在这种情况下，建造和燃烧)的制造范式。这次有了一个转折:使用先进的金属AM来“构建”方程的部分。
斯拉博说:“我们正在与VELO3D合作的基本上是一个非常大的3d打印燃烧器，它将用于在地面上的测试单元中创建高超声速流动环境。”“实际上，如果你想在地面上测试高超声速飞行器，你需要建造一个带有大型收敛-发散喷嘴和超声速极热气体羽流的火箭发动机;飞行器飞过的“火球”。整个系统用螺栓固定在大量的混凝土中。然后你把你设计的任何组件放入羽状物中，看看会发生什么。”
“通过VELO3D，我们正在为燃烧室设计喷射器，以产生非常特定的湍流流场，以特定的速度混合燃料，并使我们能够在非常紧凑的体积内稳定非常强大的火焰。这为我们接下来要测试的所有东西创造了条件。”
这就是AM证明其价值的“建立和燃烧”。快速3D打印测试燃烧室的各种喷油器几何形状的能力——在这种情况下，由哈氏合金X制成，这是少数几种能够承受高超音速环境的高强度高温合金之一——使普渡大学团队能够快速确定哪种设计效果最好。
对于在斯拉博团队工作的测试工程师尼克·斯特拉汉(Nick Strahan)来说，使用AM的经历让他大开眼界。他说:“我们之前基本上是用传统的减法制造技术来解决这个问题的。”“但我们的设计中有一些特性会限制燃烧室的性能，而与VELO3D进行相加，使我们能够更容易地集成我们独特的几何结构。”
绕过传统制造业的路障
使用传统的减法制造将意味着铸造单个部件，这需要长时间的工装、模具制造和设计迭代周期。Strahan说:“随着我们优化设计，AM技术显著缩短了制造周期。”
工程师们用五种不同的设计巧妙地改变了喷射器的流道(只需调整Velo3D Sapphire系统的打印准备软件自动适应的STEP数据文件)，将它们打印出来，并在高超声速相关的测试条件下运行。
Strahan说:“VELO3D端到端制造系统生产的密集部件只需要很少的后处理。“只需一点点清理加工，我们就可以将它们安装到我们的研究规模的燃烧室中进行测试。然后，我们可以测量每个几何形状产生的燃烧效率，目标是在非常高的飞行速度下产生与大气在化学和热力学上相似的流动。”
在短短两周内，该团队就能够分离出具有他们所寻找的所有静态和动态特征的最佳表现。
该高性能喷射器满足了工程师对燃烧室性能最看重的关键参数:火焰功率(模拟飞行条件的代表)和火焰稳定性(燃烧室健康和效率的衡量标准)。Slabaugh说:“功率和稳定性对我们用我们的设备创造现实的地面测试环境来说都是必要的，但在大规模设备中，这些参数通常很难平衡。”“在测试过程中，我们能够独立调整注入器的几何形状和流动条件，以获得这两个不可分割的参数的最佳结果。我们将AM视为一种强大的工具，通过它，我们可以更快地为复杂的设计问题带来其他创造性的工程解决方案。”
加速迈向未来
现在单喷油器设计已经通过了严格的测试，目标是将大量的喷油器组合成一个更强大的燃烧室。VELO3D正在进一步咨询Zucrow实验室，通过将注入器集集成到单个3d打印组件中，帮助他们充分利用其“随心所欲”的功能。在此基础上，工程师们将继续改进和组装一个完整的燃烧室系统，目标是在2022年秋季实现全面高超声速测试能力。
Zucrow实验室的团队预计，3D打印将继续成为他们工作中重要的研发和生产技术。Slabaugh说:“添加剂在我们不断尝试不同结构部件的研究背景下非常有帮助。”“与此同时，使用3d打印的注入器部件，我们在许多方面无法区分它与机械部件之间的区别。十年前，这项技术似乎是一个幻想，但我们现在得到的AM部件可以直接从打印机进入我们的发动机，这是非常惊人的。”
AM技术可以应用于燃烧装置、热管理系统和包括高超音速在内的许多领域的结构部件，毫无疑问，AM技术在该领域的发展将特别有价值。”
Velo3d
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