新兴飞行器：增材制造在航空业中大规模应用的新平台

来源： 国际航空
作者：阴鹏艳，中国航空工业发展研究中心

2020年10月，超声速商用飞机制造商Boom Supersonic公司推出了首架XB-1超声速演示验证机，XB-1从设计制造到使用材料上都进行了全新的重构，特别是通过成功运用增材制造技术，在发动机等高温、复杂结构部件中实现了对钛合金材料的自由设计制造、取得了更好的质量控制，同时也削减了大量开发和维护成本。

Boom公司于2016年宣布了XB-1超声速客机的设计方案及参数，并公开展示了其验证机。2017年，Boom公司修改了XB-1的进气道、机翼和垂尾设计方案，随后陆续与日本航空公司、Advent飞机系统公司、Stratasys公司、VELO 3D公司及美国空军等建立合作关系。2020年，Boom公司完成了静态机翼加载测试、机翼结构组装与关键对接测试，并于10月推出了二代验证机。

XB-1是超声速客机“序曲”（Overture）的1:3缩比原型验证机，而“序曲”的载客量达55~75人。XB-1采用了双座设计，机长21.64m、翼展长6.4m，装载3台GE公司J85-15发动机，巡航速度Ma 2.2。据Boom公司透露，XB-1后续将进行地面测试，并计划于2021年进行100%碳中和测试后实现首飞。同时，公司将完成“序曲”的推进系统设计制造并进行风洞测试和验证。当XB-1在飞行测试中突破声障后，Boom将最终确认“序曲”的设计，并在2025年推出全尺寸的超声速客机。
目前维珍集团和日本航空公司已经预订了30架该型客机。

钛合金部件增材制造的优势
从2019年起，Boom公司与VELO 3D公司就钛合金部件的增材制造开展了合作，VELO 3D利用该公司的“蓝宝石”系统为XB-1开发和制造了飞机关键位置零件，这些钛合金部件大多用于发动机、环境控制系统和结构部件。

在最新的XB-1演示验证机上已安装有21个钛合金增材制造部件，包括：将发动机压气机引气至飞机的外模线（OML）的可变涵道阀（VBV）系统歧管；用于冷却驾驶舱和电子系统舱的环境控制系统（ECS）的排气窗板；用于将中央进气口的二次引气流引导至外模线的窗板；NACA导管和两个分流器法兰结构部件。

VELO 3D公司将现有技术扩展到极限，研发出了可以打印薄壁钛合金部件的工艺技术，其“蓝宝石”系统采用了一种名为“智能融合”的技术，利用激光粉末床融合（LPBF）工艺烧结金属粉末，并且凭借独特的“无支撑”制造技术免除了大量的支撑结构。系统还集成了Flow前处理软件和Assure质量控制软件，着力于满足生产领域对于效率、质量一致性以及加工稳定性的需求。

△XB-1超声速客机验证机上的钛合金增材制造部件。

结构设计不必向制造方式妥协
利用增材制造技术可以为部件带来更大的设计灵活性。在越来越可靠的制造技术的支持下，Boom公司设计了一系列新型薄壁零件，推动了部件减重和薄壁几何状零件的发展。

XB-1的许多3D打印零件与引气气流有关，且零件的工作环境超过260℃，如复杂的叶片、导管和窗板等。通过使用Flow前处理软件，设计人员在NACA导管的薄壁上增加了一些结构肋以增加强度，其他绝大多数的零件都采用数字模型直接进行制造。

△1 kW双激光头烧结，并将钛粉熔化沉积为近净形状的零件。

△通过前处理软件在NACA导管的薄壁部位生成加强肋以增加结构强度。

难加工钛合金得以高质量打印
有些薄壁钛合金零件无法使用铸造工艺实现，而借助于VELO 3D的解决方案，通过优化打印参数和打印顺序减少了基座中的内应力；通过在Z轴方向的材料堆积减少了冷却过程中形成的内应力，从而降低了开裂的可能性；其非接触式的铺粉方式避免了摩擦和碰撞风险，保证了中央进气口、排气窗板、空心叶片这类大尺寸薄壁零件的成功打印，并且不需要多余的材料来增加内部强度。

生产薄壁零件的过程控制至关重要。根据基于物理模型的实时多传感器检测算法，预构建零件的校准只需在电脑上点击，软件即可自动检查关键变量，工艺过程中也可定量监控各项关键指标并标记是否出现异常。所有数据点都汇总在一个信息丰富的报告中，这些报告都会保存下来，以备后续参考，使零件获得更高的可追溯性和制造质量，并降低过程错误（尤其是重复过程错误）的风险。

△XB-1的每台发动机均安装有可变涵道阀（VBV）系统。该系统可以排出压缩机空气以防止发动机失速。左为来自Flow前处理软件的数字模型；中为打印完成的3个零件；右为窗板叶片。

简化后处理
当在精加工过程中创建用于固定零件的夹具时，复杂几何形状的零件可以使用其CAD模型快速设计夹具形状，并在单独的熔融沉积成形（FDM）打印机上打印定制的夹具。

打印完成的零件表面粗糙度平均值为Ra 250。虽然XB-1的零件关键要素是几何形状和零件强度，并不要求VELO 3D对零件进行表面处理，但VELO 3D公司表示零件表面粗糙度经简单步骤处理即可达到Ra 125的水平。成品零件往往还会进行热处理和/或热等静压处理，以提高疲劳寿命。

△XB-1的VBV机身歧管上的内部通道完全没有支撑结构，大大节省了材料、后处理时间和劳动力。

增材制造技术的其他应用
除与VELO 3D公司合作进行钛合金零部件的增材制造外，Boom公司还与增材制造解决方案供应商Stratasys公司建立了合作关系，并通过将其F900设备与飞机内饰解决方案（AIS）软件包结合使用，为XB-1创建数百个3D打印零件。这些3D打印部件不仅直接组装到XB-1上，还可以用于工具、原型和测试台等其他地方。例如，在将钛合金面板安装到后机身时，几乎每个紧固件孔都是使用3D打印的钻头制作的，这些增材制造技术的应用节省了数百小时的工时。

△XB-1的后机身区域装配场景。

实际上，相对于较为传统的、高度重视安全性的和认证流程的商业航空，这些新概念飞行器确实为增材制造这样的"老牌新技术"提供了更广阔的应用空间。有关增材制造在航空业的应用问题，可以参考本公众号过去的报道：“到不了的未来？增材制造技术何时走出低谷？”

因此，XB-1样机的成功推出，标志着在商业超声速飞行方面新兴飞行器技术所达到的转折点，同时展示了增材制造在加速产品研发制造上的革新能力。在复合材料、钛合金、高温合金等用于承力、热端部件的材料制造方面，随着增材制造技术在制造精度、速度、质量控制等方面不断取得新突破，在标准化鉴定认证、价值链集成方面更加统一和完善，增材制造将助力超声速飞机成为商业与制造业角逐的新高地。