Kovové 3D tlačené diely v oblasti hypersonických technológií
Či už veríte na mimozemšťanov alebo nie, vesmírne preteky medzi veľmocami sa začali a spolu sním aj výskum a vývoj smerom ku korábu s hypersonickou rýchlosťou a obratnosťou. Pojmom hypersonický, sa zvyčajne rozumie technológia, ktorá dokáže prekonať rýchlosť minimálne Mach 5, čo je ekvivalent päťnásobku rýchlosti zvuku, viac ako 5 600 km/h. Keď sa dosiahne horná hranica tejto rýchlosti, vstúpi objekt do hypersonického prostredia.
Výskumníci z Purdue University z amerického štátu Indiana, skúmajú novú technológiu 3D tlače z kovu, ktorá by umožnila vyrábať plne husté diely na konečné použitie, ktoré sú pevnejšie ako tradičné metódy odlievania. Takto tlačené diely môžu spĺňať aplikačné podmienky v drsnom prostredí nadzvukovej rýchlosti.
Keď lietadlo letí vysokou rýchlosťou, vzduch prúdiaci okolo a vo vnútri trupu podlieha extrémnej kompresii a zahrievaniu. Pri rýchlostiach do 5 Mach sa teplota zvýši približne 6 -násobne a tlak stonásobne. Zároveň toto tepelné a mechanické zaťaženie spôsobuje úplnú zmenu v režime aerodynamiky, termodynamiky a stavebnej mechaniky. Ak objekt letí väčšou rýchlosťou ako je Mach 5 , teplota vzduchu v atmosfére, je viac ako tisíc stupňov a tlak je na úrovni stovky libier. Samotný vzduch sa dokonca môže stať chemicky reaktívnym, ak letíte dostatočne rýchlo. Extrémne prietokové podmienky sú technickou výzvou pre akýkoľvek systém lietadla, kde ťah pochádza zo spaľovania paliva.
Na riešenie tejto výzvy, sa výskumníci z Purdue University spojili so spoločnosťou “VELO3D”, aby vytlačili vstrekovače paliva s komplexnou geometriou pre extrémne vysoký výkon miešania paliva a vzduchu. Tradičné výrobné metódy nedokážu vyrobiť takéto diely, najmä v extrémnych testovacích podmienkach, ktoré si vyžadujú vysokopevnostné superlegované kovy. Vďaka tejto spolupráci sa im nakoniec podarilo navrhnúť vysokorýchlostný spaľovací systém pre hypersonické prostredie.
Veľkú časť výskumu a vývoja hypersonických lietadiel, podporuje NASA ako aj rozpočty na úrovni obrany. Náklady na výskum a vývoj spojené s takýmito pokročilými letovými testami sú tiež vysoké, takže tím chcel ušetriť čo najviac peňazí. Na Purdue University, sa buduje testovacie laboratórium k testovaniu navrhnutého motora. Jednotlivé súčiastky boli navrhnuté tak, aby simulovali prevádzku v hypersonickom prostredí, pričom sa nemusia ani pohybovať a vždy zostávajú priskrutkované k zemi.
Pre vývoj hypersonického lietadla, je potrebné postaviť raketový motor s nadzvukovým prúdom extrémne horúceho plynu, takto je možné testovať akýkoľvek konštrukčný diel v hypersonickom prostredí. Vedci z univerzity spolu so spoločnosťou Velo3D navrhli injektor horák motora tak, aby vytvoril veľmi špecifické pole turbulentného prúdenia, ktoré mieša palivo pri určitej rýchlosti a dokáže stabilizovať veľmi silný plameň vo veľmi kompaktnom objeme.
Na simuláciu správania materiálov a štruktúr v prúdení vzduchu alebo kvapalín možno použiť metódy ako Computational Fluid Dynamics (CFD) a Fluid-Structure Interaction (FSI). To umožňuje inžinierom optimalizovať návrhy skôr, ako sa čokoľvek postaví. Výskumníci z Purdue University tiež spolupracovali so spoločnosťou Velo3D na vytvorení veľkej 3D tlačenej napaľovačky, ktorá sa používa na vytvorenie hypersonického prostredia v testovacom laboratóriu.
Na overenie výkonu tejto 3D tlačenej napaľovačky bola použitá vysoko pevná a tepelne odolná “superzliatina” vyrobená z Hastelloy X , ktorá odolá hypersonickému prostrediu. Len za dva týždne bol tím schopný vyselektovať najvýkonnejšiu koncepciu, ktorá mala všetky statické a dynamické vlastnosti, ktoré hľadali.
Ďalším krokom tímu je zostaviť veľké množstvo vstrekovačov do výkonnejšieho horáka. Velo3D ďalej rokuje so spoločnosťou Zucrow Labs, aby im pomohla naplno využiť schopnosti 3D tlače a integrovať skupinu vstrekovačov do jediného 3D tlačeného komponentu. Inžinieri budú ďalej pokračovať v zdokonaľovaní a zostavovaní kompletného horákového systému s technológiou zameranou na úplnú hypersonickú testovaciu schopnosť.