超聲速燃燒沖壓式發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)動機成為各大軍事領域的發(fā)動機制造商發(fā)力的重心。

挑戰(zhàn)技術瓶頸

2019年6月，美國武器開發(fā)商雷神公司(Raytheon)宣布與諾格公司(Northrop Grumman)合作開發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機的飛行器，與美空軍數(shù)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(fā)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(xù)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(fā)動機加速到至少4馬赫后，再以高速超燃沖壓發(fā)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(fā)，早期由DARPA主導，后來由美空軍執(zhí)行。戰(zhàn)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(fā)吸氣式高超音速飛行器，意味著雷神和諾格公司開始聯(lián)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(fā)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(fā)動機曾為創(chuàng)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(fā)動機燃燒室。3D打印高超音速發(fā)動機燃燒室不僅達到甚至超過了所有性能要求，而且也創(chuàng)造了同類設備中可承受*長持續(xù)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(fā)新一代創(chuàng)新超音速推進系統(tǒng)SABRE，其中也應用了3D打印技術。SABER是一種混合動力發(fā)動機，能夠在低空和高空飛行, 這種混合動力發(fā)動機的發(fā)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(tǒng)使用3D打印增材制造技術制造。SABRE發(fā)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(fā)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(fā)動機的空氣流從超過1000℃降低到零下150℃。SABRE發(fā)動機做到了這一點，而且發(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)動機部件領域的發(fā)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(fā)動機和火箭的機電系統(tǒng)或組件。

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

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