GE航空3D打印開發(fā)高超音速雙模沖壓發(fā)動機

2024年7月22日，

航空航天制造商通用電氣航空航天（GE Aerospace）公司成功展示了一種新型高超音速雙模沖壓噴氣發(fā)動機。據(jù)該公司介紹，新型沖壓發(fā)動機可以實現(xiàn)各種多用途飛機的高速飛行和擴大航程。據(jù)報道，在位于俄亥俄州埃文代爾的潔凈空氣、連續(xù)流、高速推進測試設(shè)施中進行測試后，這款高超音速發(fā)動機的性能超出了預(yù)期。與之前試飛的高超音速技術(shù)演示器相比，它展示了雙模沖壓發(fā)動機的強勁運行，并實現(xiàn)了三倍的氣流增加。

雖然該公司尚未透露該項目是否采用了增材制造技術(shù)，但 GE Aerospace 是該技術(shù)的長期采用者。該公司正在通過其Colbrium Additive部門（前身為 GE Additive）推進工業(yè)3D打印。

新型沖壓發(fā)動機于今年 3 月開始測試，距離設(shè)計工作開始僅11個月。鑒于這一開發(fā)過程的速度，增材制造很可能已在整個工藝鏈中得到利用。眾所周知，增材制造可以縮短火箭發(fā)動機生產(chǎn)的交付周期。

在最近的一次采訪中，美國宇航局的保羅·格拉德爾 (Paul Gradl) 解釋說，3D 打印可以將火箭發(fā)動機的制造時間從幾個月縮短到幾周，從而實現(xiàn)快速測試和迭代。此外，洛克希德·馬丁 (Lockheed Martin)和Aerojet Rocketdyne等航空航天公司也利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)3D打印沖壓發(fā)動機和超音速沖壓發(fā)動機。

回到最新的高超音速發(fā)動機，通用電氣航空航天公司愛迪生工廠業(yè)務(wù)和技術(shù)開發(fā)副總裁兼總經(jīng)理馬克·雷蒂格解釋道：“該技術(shù)的強勁性能為下一階段的發(fā)展鋪平了道路?！苯酉聛淼牟襟E將側(cè)重于持續(xù)測試和技術(shù)演示，與公司的綜合高速推進解決方案路線圖保持一致。

△GE 航空航天公司的高超音速雙模沖壓噴氣發(fā)動機。

先進的沖壓發(fā)動機技術(shù)

高超音速發(fā)動機的研發(fā)由高超音速推進專家 Innoveering（GE 航空航天于 2022 年收購）和GE航空航天研究中心的工程師合作支持。

GE航空航天公司國防與系統(tǒng)總裁兼首席執(zhí)行官艾米·高德 (Amy Gowder) 表示：“從設(shè)計到測試的快速進展凸顯了我們推動高超音速技術(shù)創(chuàng)新的承諾。這一里程碑不僅展示了我們團隊的卓越才能和奉獻精神，還重申了我們在高超音速飛行領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。”

沖壓發(fā)動機的運動部件很少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。它們利用飛機的向前動量將空氣沖入燃燒室。然后，空氣通過一系列沖擊波被壓縮，直到在發(fā)動機的燃燒部分變成亞音速。

此次新型沖壓發(fā)動機演示標志著 GE 航空發(fā)動機產(chǎn)品組合的最新里程碑。該公司擁有 44,000 臺商用飛機發(fā)動機和 26,000 臺軍用飛機發(fā)動機的安裝基數(shù)。

去年，該公司演示了一種采用旋轉(zhuǎn)爆震燃燒 (RDC) 的新型高超音速雙模沖壓發(fā)動機 (DMRJ) 臺架測試。據(jù)稱這是此類測試的首次，GE Aerospace 聲稱這種新技術(shù)可以實現(xiàn)比現(xiàn)有超音速沖壓發(fā)動機更高效的高速遠程飛行。

RDC 技術(shù)通過爆震波燃燒燃料。GEAerospace 希望其 RDC 架構(gòu)能夠為超高效高超音速飛行器提供動力，使其航程擴大，速度超過 5 馬赫。

△高超音速飛行器藝術(shù)想象圖。

GE 航空利用工業(yè)3D 打印

雖然新型沖壓式噴氣發(fā)動機的制造工藝尚未披露，但 GE Aerospace 完全有能力利用金屬 3D 打印。Colibrium Additive 是 GE Aerospace 旗下的一家公司，最近由 GE Additive 更名而來，在航空航天應(yīng)用的 3D 打印方面擁有豐富的經(jīng)驗。

在RAPID+TCT 2024的一次采訪中，該公司的首席技術(shù)官 Chris Schuppe 概述了 Colibrium 與 GE Aerospace 的密切關(guān)系。他解釋說，作為內(nèi)部 3D 打印專家，Colibrium 和 GE Aerospace 都擁有獨特的優(yōu)勢。他補充道：“我們開發(fā)了許多專門滿足他們需求的技術(shù)?！?/p>

舒佩特別強調(diào)了3D 打印航空發(fā)動機熱交換器的生產(chǎn)。在這里，增材制造克服了與 CAD 建模和質(zhì)量檢查相關(guān)的挑戰(zhàn)。測試反饋可以有效地集成到 CAD 模型中，從而將迭代次數(shù)從十次減少到兩次。

眾所周知，GE Additive 開發(fā)了一款3D 打印燃油噴嘴。自 2017 年推出以來，該部件已成為航空航天應(yīng)用增材制造的著名案例研究。該公司已 3D 打印了超過 140,000個此類部件，與CFM56替代品相比，它們重量減輕 25%，燃油效率提高 15% 。

此外，該公司還與美國航空航天制造商Boom Supersonic合作開發(fā)了一款時速可達 1300 英里的3D 打印推進系統(tǒng)。本周在范堡羅國際航展上，Boom 預(yù)計將提供其最新進展。最近，Colibrium 的 AddWorks 咨詢團隊與超靜音垂直飛行系統(tǒng)開發(fā)商MagLev Aero合作，提供 3D 打印技術(shù)和材料支持。該團隊的專業(yè)知識支持了專有 MagLevHyperDrive 航空推進平臺的開發(fā)，該平臺可用于電動垂直起降 (eVTOL) 飛機。

△MagLevHyperDrive 航空推進平臺的俯視圖。

3D打印高超音速發(fā)動機

增材制造技術(shù)在高超音速噴氣發(fā)動機的研發(fā)和生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

上個月，增材制造服務(wù)提供商Sintavia獲得了美國國防部（DoD）的合同，用于開發(fā)3D打印高超音速推進部件。通過該協(xié)議，該公司將驗證設(shè)計和增材制造關(guān)鍵發(fā)動機部件所需的質(zhì)量和操作流程。

該合同預(yù)計持續(xù)到 2025 年，由國防部通過“吸氣式高超音速武器增材制造成熟度提升”（GAMMA-H）挑戰(zhàn)賽授予。該挑戰(zhàn)賽旨在確定滿足現(xiàn)代高超音速吸氣式武器系統(tǒng)幾何和溫度要求的新制造工藝。

此外，Aerojet Rocketdyne最近獲得了國防部 2200 萬美元的合同，用于3D 打印高超音速推進系統(tǒng)原型。作為國防承包商L3Harris Technologies的子公司，該公司的合同也是通過 GAMMA-H挑戰(zhàn)賽交付的。

Aerojet Rocketdyne 于 2024 年 5 月宣布，預(yù)計原型交付需要 36 個月。該公司將通過整合超燃沖壓發(fā)動機制造過程的必要步驟來簡化生產(chǎn)工作流程。這家航空航天制造商的總裁 Ross Niebergall 認為，這將創(chuàng)造一個更安全、更高效的供應(yīng)鏈，從而實現(xiàn)進度和成本改進。