旋轉(zhuǎn)爆震技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與3D打印工藝密不可分，根據(jù)《NASA劃時代的旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)，如何化解極端要求下的三大技術(shù)挑戰(zhàn)？》一文，NASA 的一組推進(jìn)開發(fā)工程師開發(fā)并測試了 NASA 的第一臺全尺寸旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)（或簡稱RDRE），這是一種先進(jìn)的火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，可以 顯著改變未來推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)建方式。

      航天與航空這兩大密切相關(guān)卻又各自不同的領(lǐng)域，由旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機(jī)產(chǎn)生了另外一個層面上的密不可分的聯(lián)系。

GE位于紐約州北部的全球研究中心的科學(xué)家們成功測試了雙模沖壓發(fā)動機(jī)（DMRJ）發(fā)動機(jī)小型驗(yàn)證機(jī)，該驗(yàn)證機(jī)使用了一種稱為旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）的新技術(shù)。
© GE

 旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）

     近日，美國發(fā)動機(jī)制造商GE 通用電氣航空航天公司表示，其在開發(fā)能夠?yàn)槌�高速高超音速飛行提供動力的可重復(fù)使用發(fā)動機(jī)方面取得了重大突破。GE航空航天公司于12月14日透露，位于紐約州北部的全球研究中心的科學(xué)家們成功測試了雙模沖壓發(fā)動機(jī)（DMRJ）發(fā)動機(jī)小型驗(yàn)證機(jī)，該驗(yàn)證機(jī)使用了一種稱為旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）的新技術(shù)。

      GE表示，對于一次性和可重復(fù)使用的飛行器，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高速、遠(yuǎn)程飛行，其效率比當(dāng)前超燃沖壓發(fā)動機(jī)更高。隨著航空航天領(lǐng)域著眼于高超音速技術(shù)的未來，GE航空航天公司憑借適當(dāng)?shù)哪芰Α⒔?jīng)驗(yàn)和規(guī)模，處于有利地位，能夠成為推動客戶新發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者。

l 3D打印與旋轉(zhuǎn)爆震燃燒技術(shù)

       航天領(lǐng)域的RDRE旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(jī)開發(fā)的一大技術(shù)挑戰(zhàn)是需要在⾼壓爆轟通過噴射器孔口時減少燃燒產(chǎn)物的回流可能性。另一大技術(shù)挑戰(zhàn)是需要設(shè)計(jì)和制造耦合的燃燒室腔室和噴射器配置，以理想地產(chǎn)生推力并將損失降至最低。而3D打印使得化解這些挑戰(zhàn)成為可能。

3D打印超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)邏輯
     噴射器方面，目前的市場上各種噴射器設(shè)計(jì)充分利用了3D打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部形狀的特點(diǎn)，不管是多管氣體分配回路，還是延伸到燃燒氣體流場中的冷卻系統(tǒng)，亦或是帶中空壁熱屏蔽結(jié)構(gòu)的燃料噴射器，3D打印都在助力燃料噴射器實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定高效的性能。3D打印不僅避免了多個零部件的組裝需要，還可以成就更為復(fù)雜的形狀，使得傳統(tǒng)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)。

更好的燃燒
© 3D科學(xué)谷白皮書

l  沖擊波和反應(yīng)區(qū)緊密結(jié)合

目前，GE已成功點(diǎn)燃雙模超燃沖壓發(fā)動機(jī)小型驗(yàn)證機(jī)，GE表示該發(fā)動機(jī)有朝一日可為載人高超音速飛行提供動力。據(jù)悉，GE相信其 DMRJ 原型機(jī)是第一個利用旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）的高超音速發(fā)動機(jī)的例子。

美國空軍將旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）技術(shù)描述為“更高效的燃燒類型，其特點(diǎn)是沖擊波和反應(yīng)區(qū)緊密結(jié)合，推進(jìn)劑在其中快速壓縮、加熱和燃燒”。小規(guī)模旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）測試于 2023 年最后一個季度的某個時間進(jìn)行。

l  “絲滑”過渡

至關(guān)重要的是，GE 航空航天公司相信旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）用于高超音速飛行器將解決高超音速飛行的一個關(guān)鍵障礙：傳統(tǒng)噴氣發(fā)動機(jī)和超高速 DMRJ 之間的過渡。

在現(xiàn)實(shí)生活中，推進(jìn)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換是一個問題。在實(shí)踐中，模式轉(zhuǎn)換將允許飛機(jī)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的動力下發(fā)射，過渡到超燃沖壓發(fā)動機(jī)動力以達(dá)到高超音速并執(zhí)行任務(wù)，然后減速并過渡回渦輪動力飛行以著陸。

傳統(tǒng) DMRJ 發(fā)動機(jī)的物理特性要求 M3.5 左右的空速才能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)生點(diǎn)火和產(chǎn)生推力有意義的壓縮。目前的超燃沖壓發(fā)動機(jī)在 M4 或更快的速度下運(yùn)行效率最高。

有史以來飛行速度最快的載人飛機(jī)——洛克希德·馬丁公司標(biāo)志性的 SR-71 黑鳥——達(dá)到了 M3。

推進(jìn)工程師必須解決大約 M3 和 M3.5 之間的速度差距，然后才能利用黑鳥這樣的可重復(fù)使用飛行器進(jìn)行載人高超音速飛行。

一種選擇是使用火箭助推器而不是噴氣渦輪機(jī)來達(dá)到高亞高超音速。

火箭動力方法的例子包括無人駕駛TalonA飛行器和高超音速武器系統(tǒng)，如洛克希德公司的高超音速吸氣式武器概念和雷神-諾斯羅普·格魯曼公司的高超音速攻擊巡航導(dǎo)彈。

一流的高超音速系統(tǒng)目前正在實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)推進(jìn)到超燃沖壓發(fā)動機(jī)動力的過渡，動力介于 M3.2 和 M3.7 之間。

 彎曲曲線

市場可能期望一家以噴氣發(fā)動機(jī)而聞名的公司能夠通過制造更好的噴氣發(fā)動機(jī)來實(shí)現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機(jī)的過渡。但 GE 航空航天公司卻采取了相反的做法——旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）技術(shù)是關(guān)鍵。

GE開發(fā)和擴(kuò)展該技術(shù)戰(zhàn)略的一部分是今年早些時候收購了總部位于紐約的推進(jìn)開發(fā)公司 Innoveering。Innoveering 的 DMRJ 設(shè)計(jì)構(gòu)成了GE航空基于旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）技術(shù)的發(fā)動機(jī)原型基礎(chǔ)。

3D打印超音速飛機(jī)發(fā)動機(jī)      

      全球研究中心的科學(xué)家表示，采用旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）技術(shù)的 DMRJ 發(fā)動機(jī)將能夠以比傳統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動機(jī)更慢的速度點(diǎn)火并產(chǎn)生推力，這種方法有可能對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行“重大改進(jìn)”。GE 航空航天公司計(jì)劃在 2025 年初或更早之前測試帶有旋轉(zhuǎn)爆震燃燒（RDC）技術(shù)的全尺寸 DMRJ 發(fā)動機(jī)。

      如果GE證明了該設(shè)計(jì)的可行性，那么載人高超音速飛行的前景將成為“一個工程問題”，而不是一個發(fā)明問題。解決這個工程問題將主要落在洛克希德、諾斯羅普或波音等飛機(jī)制造商身上。他們將面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出將兩個完全不同的推進(jìn)系統(tǒng)與獨(dú)特的進(jìn)氣要求集成在一起的方法。

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