新興飛行器：增材制造在航空業(yè)中大規(guī)模應用的新平臺

來源： 國際航空
作者：陰鵬艷，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心

2020年10月，超聲速商用飛機制造商Boom Supersonic公司推出了首架XB-1超聲速演示驗證機，XB-1從設計制造到使用材料上都進行了全新的重構(gòu)，特別是通過成功運用增材制造技術(shù)，在發(fā)動機等高溫、復雜結(jié)構(gòu)部件中實現(xiàn)了對鈦合金材料的自由設計制造、取得了更好的質(zhì)量控制，同時也削減了大量開發(fā)和維護成本。

Boom公司于2016年宣布了XB-1超聲速客機的設計方案及參數(shù)，并公開展示了其驗證機。2017年，Boom公司修改了XB-1的進氣道、機翼和垂尾設計方案，隨后陸續(xù)與日本航空公司、Advent飛機系統(tǒng)公司、Stratasys公司、VELO 3D公司及美國空軍等建立合作關(guān)系。2020年，Boom公司完成了靜態(tài)機翼加載測試、機翼結(jié)構(gòu)組裝與關(guān)鍵對接測試，并于10月推出了二代驗證機。

XB-1是超聲速客機“序曲”（Overture）的1:3縮比原型驗證機，而“序曲”的載客量達55~75人。XB-1采用了雙座設計，機長21.64m、翼展長6.4m，裝載3臺GE公司J85-15發(fā)動機，巡航速度Ma 2.2。據(jù)Boom公司透露，XB-1后續(xù)將進行地面測試，并計劃于2021年進行100%碳中和測試后實現(xiàn)首飛。同時，公司將完成“序曲”的推進系統(tǒng)設計制造并進行風洞測試和驗證。當XB-1在飛行測試中突破聲障后，Boom將最終確認“序曲”的設計，并在2025年推出全尺寸的超聲速客機。
目前維珍集團和日本航空公司已經(jīng)預訂了30架該型客機。

鈦合金部件增材制造的優(yōu)勢
從2019年起，Boom公司與VELO 3D公司就鈦合金部件的增材制造開展了合作，VELO 3D利用該公司的“藍寶石”系統(tǒng)為XB-1開發(fā)和制造了飛機關(guān)鍵位置零件，這些鈦合金部件大多用于發(fā)動機、環(huán)境控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件。

在最新的XB-1演示驗證機上已安裝有21個鈦合金增材制造部件，包括：將發(fā)動機壓氣機引氣至飛機的外模線（OML）的可變涵道閥（VBV）系統(tǒng)歧管；用于冷卻駕駛艙和電子系統(tǒng)艙的環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）的排氣窗板；用于將中央進氣口的二次引氣流引導至外模線的窗板；NACA導管和兩個分流器法蘭結(jié)構(gòu)部件。

VELO 3D公司將現(xiàn)有技術(shù)擴展到極限，研發(fā)出了可以打印薄壁鈦合金部件的工藝技術(shù)，其“藍寶石”系統(tǒng)采用了一種名為“智能融合”的技術(shù)，利用激光粉末床融合（LPBF）工藝燒結(jié)金屬粉末，并且憑借獨特的“無支撐”制造技術(shù)免除了大量的支撐結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)還集成了Flow前處理軟件和Assure質(zhì)量控制軟件，著力于滿足生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ谛�率、質(zhì)量一致性以及加工穩(wěn)定性的需求。

△XB-1超聲速客機驗證機上的鈦合金增材制造部件。

結(jié)構(gòu)設計不必向制造方式妥協(xié)
利用增材制造技術(shù)可以為部件帶來更大的設計靈活性。在越來越可靠的制造技術(shù)的支持下，Boom公司設計了一系列新型薄壁零件，推動了部件減重和薄壁幾何狀零件的發(fā)展。

XB-1的許多3D打印零件與引氣氣流有關(guān)，且零件的工作環(huán)境超過260℃，如復雜的葉片、導管和窗板等。通過使用Flow前處理軟件，設計人員在NACA導管的薄壁上增加了一些結(jié)構(gòu)肋以增加強度，其他絕大多數(shù)的零件都采用數(shù)字模型直接進行制造。

△1 kW雙激光頭燒結(jié)，并將鈦粉熔化沉積為近凈形狀的零件。

△通過前處理軟件在NACA導管的薄壁部位生成加強肋以增加結(jié)構(gòu)強度。

難加工鈦合金得以高質(zhì)量打印
有些薄壁鈦合金零件無法使用鑄造工藝實現(xiàn)，而借助于VELO 3D的解決方案，通過優(yōu)化打印參數(shù)和打印順序減少了基座中的內(nèi)應力；通過在Z軸方向的材料堆積減少了冷卻過程中形成的內(nèi)應力，從而降低了開裂的可能性；其非接觸式的鋪粉方式避免了摩擦和碰撞風險，保證了中央進氣口、排氣窗板、空心葉片這類大尺寸薄壁零件的成功打印，并且不需要多余的材料來增加內(nèi)部強度。

生產(chǎn)薄壁零件的過程控制至關(guān)重要。根據(jù)基于物理模型的實時多傳感器檢測算法，預構(gòu)建零件的校準只需在電腦上點擊，軟件即可自動檢查關(guān)鍵變量，工藝過程中也可定量監(jiān)控各項關(guān)鍵指標并標記是否出現(xiàn)異常。所有數(shù)據(jù)點都匯總在一個信息豐富的報告中，這些報告都會保存下來，以備后續(xù)參考，使零件獲得更高的可追溯性和制造質(zhì)量，并降低過程錯誤（尤其是重復過程錯誤）的風險。

△XB-1的每臺發(fā)動機均安裝有可變涵道閥（VBV）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以排出壓縮機空氣以防止發(fā)動機失速。左為來自Flow前處理軟件的數(shù)字模型；中為打印完成的3個零件；右為窗板葉片。

簡化后處理
當在精加工過程中創(chuàng)建用于固定零件的夾具時，復雜幾何形狀的零件可以使用其CAD模型快速設計夾具形狀，并在單獨的熔融沉積成形（FDM）打印機上打印定制的夾具。

打印完成的零件表面粗糙度平均值為Ra 250。雖然XB-1的零件關(guān)鍵要素是幾何形狀和零件強度，并不要求VELO 3D對零件進行表面處理，但VELO 3D公司表示零件表面粗糙度經(jīng)簡單步驟處理即可達到Ra 125的水平。成品零件往往還會進行熱處理和/或熱等靜壓處理，以提高疲勞壽命。

△XB-1的VBV機身歧管上的內(nèi)部通道完全沒有支撐結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了材料、后處理時間和勞動力。

增材制造技術(shù)的其他應用
除與VELO 3D公司合作進行鈦合金零部件的增材制造外，Boom公司還與增材制造解決方案供應商Stratasys公司建立了合作關(guān)系，并通過將其F900設備與飛機內(nèi)飾解決方案（AIS）軟件包結(jié)合使用，為XB-1創(chuàng)建數(shù)百個3D打印零件。這些3D打印部件不僅直接組裝到XB-1上，還可以用于工具、原型和測試臺等其他地方。例如，在將鈦合金面板安裝到后機身時，幾乎每個緊固件孔都是使用3D打印的鉆頭制作的，這些增材制造技術(shù)的應用節(jié)省了數(shù)百小時的工時。

△XB-1的后機身區(qū)域裝配場景。

實際上，相對于較為傳統(tǒng)的、高度重視安全性的和認證流程的商業(yè)航空，這些新概念飛行器確實為增材制造這樣的"老牌新技術(shù)"提供了更廣闊的應用空間。有關(guān)增材制造在航空業(yè)的應用問題，可以參考本公眾號過去的報道：“到不了的未來？增材制造技術(shù)何時走出低谷？”

因此，XB-1樣機的成功推出，標志著在商業(yè)超聲速飛行方面新興飛行器技術(shù)所達到的轉(zhuǎn)折點，同時展示了增材制造在加速產(chǎn)品研發(fā)制造上的革新能力。在復合材料、鈦合金、高溫合金等用于承力、熱端部件的材料制造方面，隨著增材制造技術(shù)在制造精度、速度、質(zhì)量控制等方面不斷取得新突破，在標準化鑒定認證、價值鏈集成方面更加統(tǒng)一和完善，增材制造將助力超聲速飛機成為商業(yè)與制造業(yè)角逐的新高地。