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"超音速 "是指以1马赫的速度突破音障的飞机，如现已退役的 "Concord "和即将面世的 " Boom Supersonic XB-1"，并延伸到5马赫左右，是音速的五倍，在海平面上超过3500英里/小时。
当达到上限速度时，就进入了高超音速环境。这时奇怪的事情开始发生。
印第安纳州普渡大学的研究人员正在了解，这种不寻常的环境可以成为金属3D打印的完美试验场。该团队最近完成的工作表明，先进的增材制造技术现在能够生产完全致密的最终使用部件，其坚固性超过了传统的铸造方法。这些零件可以创造出高超音速的条件，并能活到最后。
普渡大学副教授Carson Slabaugh说："在5马赫左右，你会有一条线，"他在Zucrow实验室的20人团队自2015年以来一直在普渡大学他的实验室里研究高速燃烧系统。
Slabaugh补充说："当一个飞行器飞得那么快时，在机身周围和内部流动的空气会发生极端压缩和加热。在5马赫时，温度大约增加6倍，压力增加几百倍。与低速系统相比，这种热和机械负荷导致空气动力学和结构力学的制度完全改变。
为了实现动力高超音速飞行，使用可控飞机、无人驾驶飞行器或导弹，你需要添加一个发动机，这就是它变得非常激烈的地方。
在5马赫以上，大气中的空气在冲过时的温度是几千度，压力是几百磅。如果你飞得足够快，空气本身甚至可以变得具有化学反应性。极端的流动条件对任何推力来自于燃烧燃料的车辆推进系统都是一个挑战。
Carson Slabaugh
为了应对这一挑战，Slabaugh和他的团队与金属增材制造企业Velo3D合作，"打印 "具有复杂几何形状的燃料喷射器，以实现非常高的燃料-空气混合性能。传统的制造方法不可能生产出这样的零件，尤其是在极端的测试条件下需要高强度的金属超合金。
"通过我们的合作，我们帮助金属增材制造企业Velo3D公司了解了高速燃烧系统的设计要求，他们教会了我们如何更好地进行增材制造设计，"Slabaugh说。"这就是我们在解决与先进技术转型相关的挑战时与行业伙伴建立的那种互利关系。"
设计和制造用于高超音速条件的部件，更不用说试图让飞行器以这样的速度飞行，其成本之高是可以理解的。发展高超音速能力的大部分研究和开发都得到了美国国家航空航天局和国防一级预算的支持。
对系统进行飞行测试的成本意味着，为了研究目的，实际可以测量的数据将受到很大限制。工程师们正在重现高超音速飞行时经历的条件，并在地面测试设施中验证发动机部件，如普渡大学的一个设施，Slabaugh的团队正在为该设施建造一个永远不会离开地球的火箭。
“我们设计的部件将体验高超音速环境，同时以零英里/小时的速度飞行，并固定在地面上。”Slabaugh说。
诸如计算流体力学(CFD)和流体-结构相互作用(FSI)的方法可以用来模拟材料和结构在空气或液体流动中的行为。这使得工程师在制造任何东西之前就能优化设计。
Slabaugh说：“一个根本问题是，我们无法可靠地预测高超音速条件下发动机内的流动和火焰条件。”
Slabaugh谈到团队如何去解决这个问题时说：“我们与金属增材制造企业Velo3D合作的基本上是一个非常大的金属3D打印燃烧器，它将用于在地面测试室中创建高超音速环境。”
为了在地面上创造一个高超音速飞行器，你必须建造一个火箭发动机，它有一个大型的、收敛-发散的喷嘴和一个超音速的极热气体羽流。然后将正在测试的任何部件放入该羽流中。
Slabaugh说。"通过金属增材制造企业Velo3D，我们正在为该燃烧器设计喷油器，以产生非常具体的湍流流场，以一定的速度混合燃料，并允许我们在一个非常紧凑的体积内稳定一个非常强大的火焰。这为我们要在下游测试的所有东西创造了条件。"
3D打印部件
为测试燃烧器快速3D打印各种喷油器几何形状的能力，在这种情况下是由Hastelloy X制成的，这是一种高强度、高温的超级合金，可以承受高超音速环境，使普渡大学团队能够迅速确定哪种设计最有效。
工程师们用五种不同的设计巧妙地改变了喷射器的流动通道。这只是一个调整STEP数据文件的问题，金属增材制造企业VELO3D蓝宝石系统的打印准备软件可以自动适应。这些设计被打印出来，并在高超音速相关的测试条件下运行。
在短短两周内，该团队能够分离出性能最高的喷射器，它具有他们所寻找的所有固定和动态特性。该高性能喷油器符合工程师们最看重的燃烧器性能、火焰功率和火焰稳定性等关键参数。
该团队的下一步是将一大批喷油器组装成一个更强大的燃烧器。金属增材制造企业Velo3D正在与Zucrow实验室进一步协商，帮助他们利用其 "随心所欲 "的能力，将喷油器组集成到一个单一的3D打印部件中。
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