高超聲速飛行器是3D打印技術(shù)最重要的突破方向之一。相對于傳統(tǒng)的航空航天飛行器，高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長時間以超過馬赫數(shù)5的高速持續(xù)飛行，工作環(huán)境惡劣，尤其在彈身/機(jī)身外形局部的氣動駐點(diǎn)、激波附著點(diǎn)，以及采用吸氣式動力形勢的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等部位，熱環(huán)境尤其嚴(yán)酷，對零組件材料的耐高溫性能、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等有著很高要求，同時對零組件空間外形、自身重量等也有著苛刻要求。領(lǐng)域在高超聲速技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多，已經(jīng)成為解決高超聲速飛行器制造瓶頸的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)制造技術(shù)無法滿足要求時，3D打印技術(shù)為其開辟了一條全新的道路，以其能夠快速制備具有高材料性能、異形結(jié)構(gòu)、整體特性的零部件特點(diǎn)，在高超聲速飛行器相關(guān)領(lǐng)域得到了愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，甚至成為解決一些高超聲速飛行器特殊零部件瓶頸的唯一選擇。

本文以近年來國外開展的高超聲速相關(guān)制備工作入手，介紹3D打印技術(shù)在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)—結(jié)構(gòu)—材料等多種級別中的應(yīng)用，并對其重要性進(jìn)行分析。

3D打印技術(shù)在高超聲速分系統(tǒng)層級產(chǎn)品中的應(yīng)用

美國軌道ATK公司（Orbital ATK）近日對一型以3D打印為主要制備方式的高超聲速戰(zhàn)斗部成功進(jìn)行了試爆工作。戰(zhàn)斗部的研發(fā)是軌道ATK公司的主營業(yè)務(wù)之一，目前公司在導(dǎo)彈產(chǎn)品部門設(shè)立的戰(zhàn)斗部開發(fā)項(xiàng)目（Warhead Development Programs）中開展了這種自重50磅的戰(zhàn)斗部的研發(fā)工作，目的是獲得一款適用于高超聲速武器的致命性增強(qiáng)型彈藥（LEO）戰(zhàn)斗部。該戰(zhàn)斗部共有五個主要部件，其中三個采用3D打印方法制備，占比超過半數(shù)。軌道ATK公司結(jié)合此前已有的超聲速火箭發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了這種能夠耐受高速帶來的高溫等環(huán)境的戰(zhàn)斗部的開發(fā)。

該型戰(zhàn)斗部采用了異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜，與傳統(tǒng)外形存在較大差異。在2018年2月初啟動了設(shè)計(jì)工作后，戰(zhàn)斗部研發(fā)團(tuán)隊(duì)就充分利用了3D打印的優(yōu)勢，采用了簡潔并符合工藝要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得制備周期比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了至少一個半月時間，從而僅用了不到60天就完成了戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)—制備—試驗(yàn)的全流程，實(shí)現(xiàn)了具有代表性的高效研發(fā)。

軌道ATK公司在2018年3月對這型戰(zhàn)斗部實(shí)施了爆炸試驗(yàn)，這也是該公司第一次對采用3D打印技術(shù)的戰(zhàn)斗部開展試驗(yàn)。試驗(yàn)中，戰(zhàn)斗部從初始懸掛位置成功實(shí)現(xiàn)了爆炸，爆炸后的碎片沖入地下，在起爆點(diǎn)周圍形成了薄金屬碎片散布區(qū)，為評估爆破對不同打擊對象的毀傷效果等工作提供了原始數(shù)據(jù)支撐。

該型戰(zhàn)斗部是目前公開資料披露的首個以3D打印為主要制造手段的高超聲速飛行器分系統(tǒng)產(chǎn)品，其成功制備與試驗(yàn)是高超聲速技術(shù)的一項(xiàng)重要突破，也是高超聲速發(fā)展過程中的一個里程碑。

圖1 軌道ATK公司的高超聲速戰(zhàn)斗部爆炸測試

3D打印技術(shù)在高超聲速零部件層級產(chǎn)品中的應(yīng)用

軌道ATK公司在2016年對一型通過3D打印技術(shù)制備的燃燒室進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，該型燃燒室設(shè)計(jì)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)，是整個推進(jìn)系統(tǒng)中難度最高的零部件之一。超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流速度高、空氣湍流現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒極為困難。對于燃燒室而言，需要精密的流道尺寸控制來滿足燃燒狀態(tài)要求，足夠的壁面耐燒蝕性來維持高速高溫氣流的沖刷，較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來保證內(nèi)部持續(xù)高壓作用下結(jié)構(gòu)完整性；對采用主動冷卻的燃燒室而言，還需要結(jié)構(gòu)留有細(xì)小狹長的冷卻氣/液流通道，燃燒室結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這都為超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的加工提出了很高要求，即使采用傳統(tǒng)工藝能夠制備，也需要將其分解成數(shù)量眾多的零部件、加工成型后經(jīng)由復(fù)雜裝備得到，由此，復(fù)雜的裝配尺寸鏈傳遞將直接導(dǎo)致相關(guān)零部件需要具備非常高的加工精度，而且加工與裝配消耗的時間也將導(dǎo)致燃燒室制備周期相對漫長，此外大量的零部件裝配勢必引入較多的附加質(zhì)量，這些無效質(zhì)量將使整臺發(fā)動機(jī)的有效推重比降低。而據(jù)軌道ATK公司導(dǎo)彈產(chǎn)品部負(fù)責(zé)人透露，該型燃燒室的制備在幾年前仍然無法實(shí)現(xiàn)，直至引入3D打印技術(shù)后才得以解決。

這型燃燒室采用了名為“粉末床熔融”的3D打印方法，以金屬粉末為原料，工作時將原料送達(dá)激光打印頭處，通過打印頭射出的激光將粉末迅速加溫至熔融，這樣軟化的金屬將形成一層微小薄膜狀形態(tài)吸附于底層固基上，通過多次這種迭代，由薄膜層層堆疊可形成立體結(jié)構(gòu)，通過激光打印頭控制每次薄膜形成的位置，最終形成所需要的空間立體結(jié)構(gòu)。通過這種制備方法，可以使燃燒室一次性整體成型，不僅大幅降低了設(shè)計(jì)與制備難度，而且有效提高了燃燒室的整體性能。

為了測試粉末床熔融工藝可以達(dá)到的強(qiáng)度，這型燃燒室于2016年在蘭利（Langley）測試中心進(jìn)行了為期20天的風(fēng)洞測試，其間對多個高超聲速飛行工況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)中燃燒室工況達(dá)到了前所未有的持續(xù)推進(jìn)時長。根據(jù)測試結(jié)果，該型燃燒室成功通過了全部靠核試驗(yàn)，而沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，甚至在超出預(yù)期實(shí)驗(yàn)條件的情況下仍然保持了良好的狀態(tài)，超額達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，充分說明了這種3D打印工藝具有的實(shí)用性。

圖2 HRL實(shí)驗(yàn)室的超燃沖壓燃燒室風(fēng)洞測試

除此之外，反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司（REL）采用了3D打印技術(shù)用于生產(chǎn)佩刀發(fā)動機(jī)（Sabre）縮比模型的噴油管，有效降低了制備難度；模型試驗(yàn)件在2015年的點(diǎn)火試驗(yàn)中進(jìn)行了15次成功點(diǎn)火。歐洲將3D打印技術(shù)應(yīng)用于HEXAFLY項(xiàng)目中，制備了一系列試驗(yàn)所用飛行器縮比氣動模型，顯著降低了工藝難度與制備周期；在對試驗(yàn)件進(jìn)行氣動載荷下結(jié)構(gòu)變形程度、結(jié)構(gòu)完整性、制備成本、制備周期等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評估之后認(rèn)為，這些試驗(yàn)件能夠滿足高超聲速氣動試驗(yàn)的需求。ATK公司利用EOS M280型3D打印機(jī)為美國的高超聲速吸氣武器方案（HAWC）項(xiàng)目第一階段進(jìn)行零部件的制備。美國在2015年的發(fā)布了高速打擊武器（HSSW）項(xiàng)目的技術(shù)成熟項(xiàng)目征詢公告，公告中透露其將考慮采用3D打印技術(shù)進(jìn)行部件制造，以期望達(dá)到減少零部件總數(shù)量、降低制造成本、提高后勤保障能力等要求。

圖3 REL公司的佩刀發(fā)動機(jī)縮比試驗(yàn)件噴油管部件

3D打印技術(shù)在高超聲速材料層級產(chǎn)品中的應(yīng)用

美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）近期在阿諾德空軍基地（Arnold Air Force Base）的實(shí)驗(yàn)設(shè)施上完成了對一種3D打印成型的碳氧化硅（SiOC）材料的風(fēng)洞測試。參與實(shí)驗(yàn)的試件由休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL Laboratories）提供，該機(jī)構(gòu)下屬的航空宇航系統(tǒng)部（Aerospace Systems Directorate）在2016年創(chuàng)新性提出了3D打印SiOC的方法，以期為高超聲速飛行器提供合適的材料。這種3D打印方法采用一種新研制的預(yù)陶瓷化樹脂為原料，將該型樹脂通過3D打印固化成型，而后在惰性氣體氛圍中加熱至接近1000℃高溫，使材料中的樹脂充分反應(yīng)、形成完全的陶瓷化狀態(tài)，從而得到需要的陶瓷基復(fù)合材料。

HRL開發(fā)的SiOC的3D技術(shù)突破了傳統(tǒng)陶瓷及復(fù)合材料制備的局限性。其中，利用已有的臺式三維光刻系統(tǒng)設(shè)備將陶瓷前驅(qū)體聚合物逐層打印并固化成所希望的形狀，保證了增材制備的可行性；通過惰性環(huán)境下的高溫處理使樹脂材料反應(yīng)形成較高純度的陶瓷，一方面維持了3D打印所得到的外形，另一方面獲得了高性能的陶瓷基復(fù)合材料——采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法得到的陶瓷在反應(yīng)過程中內(nèi)部會出現(xiàn)大量孔隙，而這種3D打印方法有效避免了孔隙的引入，能夠得到高致密度的陶瓷類材料，從而使材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性、高溫性能等均有了明顯提高——可耐受1400℃高溫環(huán)境不致收縮或開裂，強(qiáng)度提高至同等密度陶瓷的10倍，制備速度相比于前期3D打印提高了100~1000倍——因此這種方法得到的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)形狀與尺寸上基本不受約束，可以滿足更寬泛的結(jié)構(gòu)需求。

圖4 HRL實(shí)驗(yàn)室的SiOC試驗(yàn)件風(fēng)洞測試

該類SiOC材料具備的優(yōu)秀性能，有望達(dá)到航空器動力系統(tǒng)與高超聲速飛行器的大型構(gòu)件，電子設(shè)備與微機(jī)電系統(tǒng)中復(fù)雜部件等的使用要求，目前受到了AFRL的重點(diǎn)關(guān)注。AFRL希望使用這種SiOC材料制備熱輻射防護(hù)罩等功能件，并在2018年與HRL簽訂了一份合作研發(fā)—材料轉(zhuǎn)讓協(xié)議（Cooperative Research and Development – Material Transfer Agreement），協(xié)議指定由HRL提供15個SiOC圓柱試棒、5個熱輻射防護(hù)罩等試驗(yàn)件，交付給AFRL進(jìn)行材料考核測試。

AFRL對試驗(yàn)件進(jìn)行了包括熱處理、材料分析、力學(xué)分析（重點(diǎn)進(jìn)行300~2000℃熱膨脹分析）在內(nèi)的工作，此外阿諾德基地結(jié)合高焓設(shè)備進(jìn)行了材料特性分析。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在2018年3月完稿并交給了HRL，用于指導(dǎo)下一代3D打印SiOC陶瓷生產(chǎn)。值得一提的是，測試過程中曾將實(shí)驗(yàn)條件提高至預(yù)期包線之上，得到極端環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)，為AFRL與HRL提供了很有價值的素材。

3D打印制造方法與傳統(tǒng)的等材制造、減材制造等方法有著本質(zhì)區(qū)別，具有開放的創(chuàng)造性、靈活性，潛在適用范圍也更廣泛，同時加工周期與構(gòu)件整體性等方面具有顯著優(yōu)勢。這令3D打印在一些結(jié)構(gòu)/功能件制備上有著更大潛力，甚至是某些構(gòu)件制備的唯一選擇，在對材料、結(jié)構(gòu)性能有尤其嚴(yán)苛要求的高超聲速領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)中顯得尤其適合。近年來3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用的廣泛工程化，使得其可以承擔(dān)的任務(wù)逐漸多樣化，實(shí)現(xiàn)了材料—零部件—分系統(tǒng)等多個層級產(chǎn)品的應(yīng)用。

可以預(yù)期，3D打印技術(shù)在零部件快速維修、快速批量生產(chǎn)等方面將體現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢，為后勤保障工作提供重要保障。此外，隨著制備技術(shù)的成熟、可用材料的增多、材料與結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)步，3D打印將對越來越廣泛地應(yīng)用于工程生產(chǎn)中。目前一些高溫性能優(yōu)異的材料只能通過傳統(tǒng)工藝加工得到，如超高溫陶瓷類、難熔金屬材料等，如果能采用3D打印制備，這些材料將能夠滿足更多結(jié)構(gòu)/功能件的設(shè)計(jì)要求，得到更廣泛的應(yīng)用。尤其重要的是，高超聲速飛行器上諸多地方需要使用價格昂貴或儲量稀少的材料制備零部件，比如鈦合金、鎳基高溫合金、C/C、C/SiC等，相比于傳統(tǒng)加工普遍存在的90%以上材料被切削掉的現(xiàn)實(shí)情況，3D打印制備方式將能夠顯著提高原材料的利用率，不僅有效降低昂貴材料零部件的制造成本，更能夠有效減少稀缺材料的浪費(fèi)程度。

需要指出的是，目前3D打印仍然存在很多有待發(fā)展與改進(jìn)的地方，比如現(xiàn)有設(shè)計(jì)程序中針對傳統(tǒng)制造工藝的功能與固化模塊仍然眾多，設(shè)計(jì)人員受傳統(tǒng)思維影響而對3D打印工藝需要逐漸適應(yīng)與接受過程，當(dāng)前宏觀材料物理學(xué)工程體系、傳統(tǒng)材料性能檢測技術(shù)等對3D打印工藝不盡適合，可以進(jìn)行3D打印的材料仍然較少等。3D打印技術(shù)的成熟還有較長的路程要走，需要經(jīng)歷螺旋式上升的漫長過程，才能最終突破不利因素、實(shí)現(xiàn)更全面廣泛的應(yīng)用，為高超聲速飛行器為代表的高新產(chǎn)業(yè)提供關(guān)鍵的支撐。