超聲速燃燒沖壓式發(fā)動機(jī)，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(zhì)量推進(jìn)劑的條件下，超燃沖壓發(fā)動機(jī)能夠產(chǎn)生4倍于火箭的推力。

而隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用走向成熟，3D打印超燃沖壓發(fā)動機(jī)成為各大軍事領(lǐng)域的發(fā)動機(jī)制造商發(fā)力的重心。

挑戰(zhàn)技術(shù)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(chǎn)品已準(zhǔn)備好進(jìn)行首飛，其中諾格負(fù)責(zé)制造超燃沖壓發(fā)動機(jī)，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(jī)全部的零件，這將是全球首例。

根據(jù)雷神公司的說法稱，超燃沖壓發(fā)動機(jī)將空氣以高速壓縮進(jìn)入燃燒室內(nèi)，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(jī)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(jìn)氣道進(jìn)氣，這是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的技術(shù)瓶頸。

目前HAWC計劃競爭者包括雷神與諾格合作的團(tuán)隊之外，還有洛馬公司。HAWC計劃主要為解決3個關(guān)鍵技術(shù)問題：飛行器的可行性、有效性和可負(fù)擔(dān)的價格。其中牽涉的技術(shù)包括先進(jìn)的高超音速飛行器配置、可持續(xù)高超音速巡航的碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)推進(jìn)器、處理高溫巡航時產(chǎn)生熱應(yīng)力的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)實惠設(shè)計和制造方式等等。

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

AGM-183A空射高超音速導(dǎo)彈于2019年6月已經(jīng)在B-52轟炸機(jī)上進(jìn)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(dǎo)，后來由美空軍執(zhí)行。戰(zhàn)術(shù)設(shè)想是利用火箭助推進(jìn)入亞軌道，再完成遠(yuǎn)距離滑翔打擊，*大飛行速度可達(dá)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(xué)谷

無獨有偶，就在今年6月，Aerojet Rocketdyne （洛克達(dá)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(jī)已經(jīng)成功通過測試。

Aerojet Rocketdyne 超音速推進(jìn)技術(shù)的積累已超過了30年，Aerojet Rocketdyne的超燃沖壓發(fā)動機(jī)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(jī)燃燒室。3D打印高超音速發(fā)動機(jī)燃燒室不僅達(dá)到甚至超過了所有性能要求，而且也創(chuàng)造了同類設(shè)備中可承受*長持續(xù)時間推進(jìn)風(fēng)洞測試紀(jì)錄，標(biāo)志著超音速航空技術(shù)更進(jìn)一步。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，英國Reaction Engines公司也在設(shè)計和開發(fā)新一代創(chuàng)新超音速推進(jìn)系統(tǒng)SABRE，其中也應(yīng)用了3D打印技術(shù)。SABER是一種混合動力發(fā)動機(jī)，能夠在低空和高空飛行, 這種混合動力發(fā)動機(jī)的發(fā)展的一個重大突破是Reaction Engines專有的換熱器技術(shù),在此熱交換過程中防止結(jié)冰的推進(jìn)劑注射器系統(tǒng)使用3D打印增材制造技術(shù)制造。SABRE發(fā)動機(jī)通過從大氣中吸入氧氣將飛機(jī)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(nèi)置的液氧。為了使發(fā)動機(jī)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(jī)的空氣流從超過1000℃降低到零下150℃。SABRE發(fā)動機(jī)做到了這一點，而且發(fā)動機(jī)因此而增加的重量微乎其微。

除了金屬3D打印技術(shù)在高超音速推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，高溫陶瓷3D打印技術(shù)也是超音速飛行器制造領(lǐng)域突破的重點領(lǐng)域。目前，極少有材料可以承受超音速飛行過程中產(chǎn)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(shù)，使用這種技術(shù)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(shù)研究資金的支持下獲得了新進(jìn)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(jī)部件領(lǐng)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(jié)構(gòu)，可以用于飛機(jī)和航天器的耐熱板及其他外部部件。一類是小但復(fù)雜零件用于噴氣發(fā)動機(jī)和火箭的機(jī)電系統(tǒng)或組件。

總體來說，3D打印技術(shù)與高超音速航天發(fā)動機(jī)制造經(jīng)驗的結(jié)合，為研發(fā)下一代高超音速推進(jìn)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。