美国国防部斥资2550万美元研发铌合金增材制造发动机部件,以加速高超音速技术研究

为了进一步加快高超音速飞行方面的研究,美国国防部(DOD)已经对18个大学领导的项目投入了总计2550万美元的资金,这些项目主要涵盖了3D打印、机器学习和非破坏性测试等前沿技术。据悉,这些研究项目合同将在三年内发放,参与者将被授予大学应用高超音速技术联盟(UCAH)的成员。顾名思义,UCAH旨在推进高超音速技术的发展,并在联合高超音速技术过渡办公室(JHTO)下运作。获奖者包括来自28所大学、15个工业伙伴、3个国家实验室和另外4个国际伙伴大学的参与者。

     JHTO主任GillianBussey说:"这些奖项是国防部和大学联盟的一个重要步骤,每个项目都由UCAH大学合作伙伴领导,汇集了全国各地的专业知识,以解决棘手的高超音速问题。这些项目促使我们的能力更上一层楼,同时也为学生参与高超音速研究提供了途径,并与工业界和国家实验室建立联系,培养我们未来需要的专业人才。"


△2020年3月19日,美国在夏威夷考艾岛的太平洋导弹靶场设施上测试了一个高超音速滑翔体。图片来自美国海军。

为什么要发展高超音速飞行技术?

       高超音速飞行被定义为5马赫以上的速度,是音速的5倍,或大约每小时6800英里。从该技术的商业应用来看,理论上高超音速飞机可以在三个小时内从欧洲飞到澳大利亚,大大缩短了洲际飞行时间。当然,这一概念在国防方面也有应用,特别是在高超音速导弹方面。在5马赫及以上的速度下,飞行物对于导弹防御系统来说更难拦截。这使得高超音速导弹成为武库中极其有用的战略工具,特别是如果与核弹头一起使用。
铌合金的增材制造

     UCAH的获奖项目清单包括对复合飞机材料、飞行控制系统,甚至固体推进燃料的研究。但有一个项目尤其引人注意,它就是弗吉尼亚大学的"用于喷气式飞机的高性能铌合金部件的增材制造“。据称,铌合金增材部件的性能远超传统合金C103。

      铌是一种难熔金属,其特点是强度高、熔点高(2410°C)、抗化学侵蚀性能好。由于其抗氧化性和低重量,这种金属的C-103合金长期以来一直被用于航空航天领域的关键高温喷气发动机部件,如火箭喷嘴、排气喷嘴和后燃器衬垫。

       弗吉尼亚大学领导项目的下一步目标,就是将寻求采用以前未使用的铌合金来3D打印高温部件,这可以为更复杂的几何形状节省大量时间和成本。研究人员期望这些拟议的3D打印能力最终能够应用于scramjets(一种高超音速喷气发动机),可以满足在超音速气流中进行燃烧的苛刻要求。

Bussey说:"如果我们要在突破技术和培养人才方面取得进展,跨学科和高超音速世界的不同参与者之间的合作是至关重要的。这是我们去年建立大学联盟的关键原因之一,我们收到的提案包含了强大的、多组织和跨学科的团队,这是我们非常期待看到的结果。"


△猎鹰9号的第二级喷嘴是由铌合金制成的。图片来自SpaceX

      此外,这并不是增材制造被应用于高超音速飞行技术的第一个例子。就在上个月,澳大利亚RMIT大学的研究人员开发了一套用于高速飞机的新一代3D打印冷却装置。这种所谓的3D打印催化剂,本质上是涂有被称为沸石的合成矿物质的金属热交换器。该团队认为它们可以用来解决过热的问题,据说这是高超音速飞行的最大障碍之一。

     在其他地方,美国应用科技研究组织ASTRO之前已经完成了一项由美国国防高级研究计划局(DARPA)委托的研究,以加速高超音速导弹的生产。这项研究详细说明了高超音速生产加速器设施(HPAF)的设计计划,该设施将3D打印和其他先进制造技术结合在一起。


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