全球首例！諾格計劃通過3D打印制造超燃沖壓發動機的全部零件

超聲速燃燒沖壓式發動機，可以在攀升過程中從大氣里獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑，從飛行中獲取氧氣，節省重量，就意味著在消耗相同質量推進劑的條件下，超燃沖壓發動機能夠產生4倍于火箭的推力。

而隨著3D打印技術應用走向成熟，3D打印超燃沖壓發動機成為各大軍事領域的發動機制造商發力的重心。

挑戰技術瓶頸

2019年6月，美國武器開發商雷神公司(Raytheon)宣布與諾格公司(Northrop Grumman)合作開發一種稱為吸氣式高超音速概念的武器(HAWC)，兩公司合作的產品已準備好進行首飛，其中諾格負責制造超燃沖壓發動機，雷神則制造飛行器。

諾格公司打算完全通過3D打印的方式來制造超燃沖壓發動機全部的零件，這將是全球首例。

根據雷神公司的說法稱，超燃沖壓發動機將空氣以高速壓縮進入燃燒室內，能讓飛行器可以長時間保持5倍音速以上。這種高超音速武器其定位就是吸氣式，是一種使用超燃沖壓發動機的飛行器，與美空軍數年前測試的X-51A的原理基本一致，需要在5馬赫以上的速度下完成進氣道進氣，這是超燃沖壓發動機的技術瓶頸。

目前HAWC計劃競爭者包括雷神與諾格合作的團隊之外，還有洛馬公司。HAWC計劃主要為解決3個關鍵技術問題：飛行器的可行性、有效性和可負擔的價格。其中牽涉的技術包括先進的高超音速飛行器配置、可持續高超音速巡航的碳氫結構推進器、處理高溫巡航時產生熱應力的技術、經濟實惠設計和制造方式等等。

HAWC運作方式是先以火箭發動機加速到至少4馬赫后，再以高速超燃沖壓發動機將速度推上5到10馬赫之間進行超高音速巡航。與彈道導彈的差別在于它可以在大氣層內進行機動，讓防守方更難預測其飛行路徑，因此也更難以防御。

AGM-183A空射高超音速導彈于2019年6月已經在B-52轟炸機上進行了測試，有趣的是AGM-183A*初由洛馬公司研發，早期由DARPA主導，后來由美空軍執行。戰術設想是利用火箭助推進入亞軌道，再完成遠距離滑翔打擊，*大飛行速度可達到20馬赫。

可以清楚的看到的是合作研發吸氣式高超音速飛行器，意味著雷神和諾格公司開始聯手對抗洛馬。

3D科學谷

無獨有偶，就在今年6月，Aerojet Rocketdyne （洛克達因）宣布其為美國國家航空航天局(NASA)和美國國防*研究計劃局(DARPA)制造的新型高超音速發動機已經成功通過測試。

Aerojet Rocketdyne 超音速推進技術的積累已超過了30年，Aerojet Rocketdyne的超燃沖壓發動機曾為創記錄的X-51A WaveRider測試提供動力。

而早于2016年，美國軍工巨頭Orbital ATK對外公布，該公司在美國航空航天局(NASA)Langley研究中心成功測試了3D打印高超音速發動機燃燒室。3D打印高超音速發動機燃燒室不僅達到甚至超過了所有性能要求，而且也創造了同類設備中可承受*長持續時間推進風洞測試紀錄，標志著超音速航空技術更進一步。

根據3D科學谷的市場觀察，英國Reaction Engines公司也在設計和開發新一代創新超音速推進系統SABRE，其中也應用了3D打印技術。SABER是一種混合動力發動機，能夠在低空和高空飛行, 這種混合動力發動機的發展的一個重大突破是Reaction Engines專有的換熱器技術,在此熱交換過程中防止結冰的推進劑注射器系統使用3D打印增材制造技術制造。SABRE發動機通過從大氣中吸入氧氣將飛機的速度推升至5.4馬赫（超過6000公里/小時）甚至是25馬赫的速度，然后切換至氫燃料并使用內置的液氧。為了使發動機能夠在極端的大氣條件下工作，它需要能夠在不到百分之一秒的時間里將吸入發動機的空氣流從超過1000℃降低到零下150℃。SABRE發動機做到了這一點，而且發動機因此而增加的重量微乎其微。

除了金屬3D打印技術在高超音速推進系統中的應用，根據3D科學谷的市場觀察，高溫陶瓷3D打印技術也是超音速飛行器制造領域突破的重點領域。目前，極少有材料可以承受超音速飛行過程中產生的極端熱量和壓力，而 3D打印高溫陶瓷可能就是解決這個問題的方法。在2016年，美國HRL實驗室公布了其開發的一種新技術，使用這種技術3D打印的超強陶瓷材料能夠承受超過1400攝氏度高溫。HRL實驗室的研究在NASA空間技術研究資金的支持下獲得了新進展，NASA的資金推動了HRL在耐溫陶瓷制成的3D打印火箭發動機部件領域的發展。HRL 目前可3D打印兩類陶瓷。一類是大、 非常輕量級的點陣晶格結構，可以用于飛機和航天器的耐熱板及其他外部部件。一類是小但復雜零件用于噴氣發動機和火箭的機電系統或組件。

總體來說，3D打印技術與高超音速航天發動機制造經驗的結合，為研發下一代高超音速推進系統奠定基礎。

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