美国空军在阿诺德基地探索高超音速3D打印技术

航空航天军工能源
2022
08/19
15:38
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本帖最后由 冰墩熊 于 2022-8-19 15:38 编辑

南极熊导读:高超音速是一项热门研究领域,人们希望可以研制出高于声音几倍速度的飞行器。为了达到超过5马赫的速度,金属需要不断突破极端环境下的高温。目前,已经有越来越多的高超音速研究人员,转向尝试使用3D打印技术,利用该技术独特的材料和技术,开发超级零件。

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△美国空军的白橡树9号超高速风洞,正在测试末端高空区域防御(THAAD)导弹

2022年8月19日,南极熊获悉,美国空军正在马里兰州白橡树的阿诺德工程发展中心,测试3D打印在超高速风洞的作用。

超高速风洞早期的3D打印研究
该风洞由美国空军,用于高超音速地面测试和计算模拟的验证。该设施团队最初在七年前购买了一台桌面材料挤压机,但无法生产任何实质性的东西。2019年,9号风洞系统和氮气供应工程师Samuel Gigioli着手重新启动3D打印项目。这一次工程师们,利用该技术打印了塑料安装夹具、固定装置、量具和其它等工具。

末端高空区域防御(THAAD)导弹,旨在拦截和摧毁大气层内外的弹道导弹,而这些导弹正处于飞行的最后阶段。这里显示的THAAD导弹是在AEDC位于马里兰州白橡树的9号超高速风洞设施中,以收集高精度的静态稳定性和阻力数据。一旦证明,相同的测试模型和仪器将用于冯卡门气体动力学设施,以确认两个AEDC设施之间存在互补的测试能力。

因此,他们又购买了两台3D打印机,包括用于制造详细部件的大桶光聚合机,和一台大尺寸的长丝挤出机。通过内部3D打印,该小组能够在短短几小时内获得部件,而不是几周时间。Gigioli说:“已经有一些3D打印工具原型应用于风洞测试。事实上,一个非常关键的航空光学部件,就是采用我们的树脂3D打印机制作的,还有一些打印机制作测量或其它杂项部件。”

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△3D打印耐高温金属衬垫特写

超高速风洞使用耐高温金属3D打印衬垫
2019年2月,该小组进行了更为先进的3D打印研究,使用激光粉末床融合技术,为9号风洞制作开启了一个耐高温金属3D打印硬件项目。其目的是缩短隧道内使用的高温部件的交货时间和成本。

Gigioli说:"9号风洞的零件,持续面临着非常高的高压和高温,这些零件的寿命明显短于其它风洞内的零件。现在,采用3D打印技术,这些部件可以承受高达3000华氏度的高温(1648°度)。这就是为什么该技术制作金属的原因,在极端高温环境下变形相对较小的金属。"

Gigioli领导这个团队,管理材料、设备和打印机,同时与9号风洞首席设施工程师Nicholas Fredrick一起工作。一个承包商负责打印零件,管理生产工作流程,而另一个承包商提供打印粉末并进行材料特性分析。

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△超高速风洞使用3D打印制造的耐高温金属衬垫。它是保障风洞在高马赫运行下的组件之一,它可以承受几千度的温度。外径约为3英寸,内径约为2英寸,长度为3英寸

在该团队打印的零件中,这个金属3D打印耐高温衬垫是超高速风洞稳定运行的关键结构件。该部件被放置在9号风洞的两个爆破隔膜之间,是隧道中作为高速阀门运行的一个组件的一部分。据Gigioli说,3D打印的衬垫比传统制造的对应部件性能更好。

"Gigioli表示:“该部件的制造成本更低,制造和交付速度更快,而且对循环温度负荷的弹性更强,3D打印工艺在材料中创造了非常独特的微观结构,因此,该零件的结构和热性能与传统的锻打金属坯料不同。"

接下来,该团队将测试一个3D打印的颗粒分离器,用于过滤隧道内空气中的颗粒,一旦完成,该部件将在九月左右在高马赫条件下进行测试。

随着先进的3D打印技术飞速发展,目前,全球参与高超音速军备竞赛的还有普渡大学、Astro America、Orbital ATK、Raytheon,以及VELO3D、GE和Lockheed Martin等。




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