Hyperschallflugzeuge verschieben die Grenzen des 3D-Drucks

Hyperschallflugzeuge stellen den neuesten Stand der Luft- und Raumfahrttechnik dar. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Hermeus-Ingenieure entwickeln eine Familie von Hyperschallflugzeugen für kommerzielle und militärische Anwendungen. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Ein Turbinen-Kombikraftwerk ist ein Hybrid aus einem Turbostrahltriebwerk und einem Staustrahltriebwerk. Foto mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Das Quarterhorse ist ein unbemanntes Hyperschallflugzeug, das für die US Air Force entwickelt wird. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Mit dem Verkehrsflugzeug Halcyon können Passagiere den Atlantik in weniger als zwei Stunden überqueren. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Der Chimera-Motor wurde kürzlich einer Reihe erfolgreicher Tests unterzogen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Bei etwa Mach 3 beginnt Chimera, die einströmende Luft um das Turbostrahltriebwerk herum zu umgehen, und das Staustrahltriebwerk übernimmt vollständig. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Hermeus nutzt die Sapphire XC-Maschine zum Drucken großformatiger Metallteile. Foto mit freundlicher Genehmigung von Velo3D Inc.

Mithilfe der additiven Fertigung werden komplexe Motorteile aus Inconel 718 gedruckt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Das Quarterhorse wird irgendwann im nächsten Jahr seinen Jungfernflug machen. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie feierte kürzlich den 75. Jahrestag des Überschallflugs. Chuck Yeager durchbrach am 14. Oktober 1947 an Bord des Raketenflugzeugs Bell X-1 die Schallmauer.

Seitdem gehen Ingenieure und Testpiloten, ausgestattet mit dem „richtigen Zeug“, bis an die Grenzen. Die nächste Grenze ist der Hyperschallflug, bei dem sich Flugzeuge mit Mach 5 (mehr als 3.000 Meilen pro Stunde) oder mehr bewegen.

Hyperschallflugzeuge fliegen mehr als doppelt so schnell wie Überschallflugzeuge und stellen den neuesten Stand der Luft- und Raumfahrttechnik dar. Für den Antrieb setzen sie auf ein neuartiges Triebwerk namens Scramjet, bei dem die Verbrennung stattfindet, während sich die durchströmende Luft mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Scramjets nutzen ihre eigene Geometrie und Geschwindigkeit, um die durchströmende Luft zu komprimieren. Sie können das Gesamtgewicht herkömmlicher Strahltriebwerke reduzieren, indem sie bewegliche Teile wie Turbinenschaufeln eliminieren.

Luft- und Raumfahrtingenieure stellen sich Hyperschallflugzeuge vor, die viel höher und schneller fliegen könnten als die Concorde. Sie würden es den Passagieren ermöglichen, den Atlantik in weniger als zwei Stunden und den Pazifischen Ozean in weniger als drei Stunden zu überqueren, während sie bequem auf einer Höhe von 95.000 Fuß unterwegs wären. Auch das Militär ist an der Technologie für verschiedene Verteidigungsanwendungen interessiert, etwa für Raketen und unbemannte Überwachungsflugzeuge.

Allerdings erfordert der Hyperschallflug eine komplexe Fluiddynamik und Materialien, die starker Hitze, Stoßwellen und Vibrationen standhalten. Dabei spielen Aerodynamik, Temperatur und Vibration eine große Rolle. Es erfordert auch neuartige Produktionstechniken.

Trotz dieser großen Herausforderungen hat die Technologie eine Vielzahl von Start-up-Unternehmen hervorgebracht, darunter Destinus, Hermeus, New Frontier Aerospace, Radian Aerospace und Venus Aerospace.

Eines der führenden Unternehmen ist Hermeus Corp., das Flugzeuge sowohl für kommerzielle als auch für militärische Zwecke entwickelt.

Im Jahr 2021 erteilte die US Air Force Hermeus einen 60-Millionen-Dollar-Auftrag zur Entwicklung von drei unbemannten Flugzeugen, darunter das Hyperschall-Quarterhorse. Das Start-up hat kürzlich einen wichtigen Meilenstein erreicht, als es erfolgreich ein Turbojet-Ramjet-Triebwerk namens Chimera startete.

Das Ziel von Quarterhorse ist es, das Chimera-Triebwerk im Flug zu validieren und den jahrzehntealten Rekord der Lockheed SR-71 Blackbird zu brechen. Bevor das legendäre Flugzeug Anfang der 1990er Jahre in den Ruhestand ging, flog es in nur einer Stunde von Los Angeles nach Washington (seitdem ist es im Smithsonian National Air and Space Museum ausgestellt).

Der Jungfernflug des Quarterhorse soll irgendwann im nächsten Jahr stattfinden. Hermeus hofft auch, bis zum Ende dieses Jahrzehnts eine größere Passagierversion namens Halcyon fertig zu haben.

Parallel dazu plant das Unternehmen die Entwicklung einer Reihe von Flugzeugen, ähnlich wie SpaceX seine Raketen Dragon, Falcon und Starship entwickelt hat. Zusätzlich zu Halcyon und Quarterhorse arbeiten Hermeus-Ingenieure an Darkhorse, einem autonomen Flugzeug, das Kunden aus den Bereichen Verteidigung und Geheimdienste bedienen wird.

Eine Hürde wurde kürzlich genommen, als das Chimera-Triebwerk eine Reihe erfolgreicher Tests im Turbomachinery Laboratory der Notre Dame University durchlief. Zur Simulation hoher Mach-Temperaturen und -Drücke wurde erhitzte Luft verwendet.

Chimera ist ein Turbinen-Kombikraftwerk (TBCC), ein Hybrid aus einem Turbostrahltriebwerk und einem Staustrahltriebwerk. Durch die Möglichkeit, zwischen diesen beiden Modi zu wechseln, kann Quarterhorse von einer normalen Landebahn starten und dann auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigen.

Hermeus-Ingenieure haben für 18 Millionen US-Dollar innerhalb von 21 Monaten das Triebwerk der nächsten Generation entworfen, gebaut und getestet. Die meisten Beobachter sagten voraus, dass dieser technische Meilenstein viel länger dauern und mehr Geld kosten würde.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten befindet sich Chimera wie jedes andere Düsenflugzeug im Turbojet-Modus. Doch mit steigender Temperatur und Geschwindigkeit der einströmenden Luft stoßen Turbojets an ihre Leistungsgrenze. Dies geschieht typischerweise bei etwa Mach 2.

Chimera verfügt über einen Vorkühler, der die Temperatur der in den Turbojet einströmenden Luft senkt. Dies ermöglicht es den Hermeus-Ingenieuren, vor dem Übergang zum Staustrahltriebwerk etwas mehr Leistung aus dem Turbostrahltriebwerk herauszuholen.

Bei etwa Mach 3 beginnt Chimera, die einströmende Luft um das Turbostrahltriebwerk herum zu umgehen, und das Staustrahltriebwerk übernimmt vollständig.

Ein Staustrahltriebwerk ist ein einfaches Antriebssystem, das die einströmende Hochdruckluft „rammt“, um Kompression zu erzeugen. Mit dieser Druckluft wird Treibstoff vermischt und für den Schub gezündet. Ramjets sind zwischen Mach 3 und Mach 5 optimal.

„Das TBCC-Triebwerk ist einzigartig im Bereich Hyperschall“, sagt Glenn Case, Chief Technology Officer bei Hermeus. „Die meisten Hyperschallplattformen werden von einem Raketentriebwerk angetrieben. Dieser Ansatz macht die Wiederverwendbarkeit jedoch viel schwieriger und für den Passagierflug von Natur aus gefährlicher.“

Case behauptet, dass Hermeus durch die Herstellung eines luftatmenden Hyperschalltriebwerks mit voller Reichweite, das keine Rakete zum Beschleunigen benötigt, die Voraussetzungen für einen betriebsfähigen Hyperschallflug und Flugzeuge schafft, die schnell wiederverwendet werden können.

„Ein zusätzlicher Vorteil dieses Motordesigns besteht darin, dass es sich an die bestehende Transportinfrastruktur anpasst“, erklärt Case. „[Unsere] Flugzeuge sind für den Einsatz auf herkömmlichen Flughäfen konzipiert. Das ist nicht nur für Hyperschalltests wichtig, sondern angesichts unseres Ziels, den Passagierverkehr durch Hyperschallflüge radikal zu beschleunigen, von entscheidender Bedeutung.“

Zur Herstellung der Chimera und des Quarterhorse hat Hermeus in Atlanta eine vertikal integrierte Fabrik gebaut. Laut Case ermöglicht die interne Fertigung eine enge Feedbackschleife zwischen Ingenieuren und Technikern, was für die Fähigkeit des Unternehmens zur schnellen Iteration von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus erleichtert die vertikale Integration seiner Meinung nach die Abhängigkeit von externen Anbietern und ermöglicht eine bessere Kontrolle der Lieferkette.

Um komplexe Metallteile schnell herzustellen, setzt Hermeus auf additive Fertigungstechnologie. Tatsächlich bestehen etwa 15 Prozent der Chimera-Engine aus gedruckten Komponenten.

„Die additive Metallfertigung ist ein zentraler Bestandteil unseres Plans zur vertikalen Integration der Produktion“, sagt Case. „Während wir die Fähigkeiten [der] Technologie erkunden, werden wir nach Möglichkeiten suchen, die Leistung zu steigern, Komponenten zu konsolidieren, das Gewicht unserer Flugzeuge zu reduzieren und externe Abhängigkeiten zu minimieren.“

„Additive Fertigung ist eine großartige Möglichkeit für Luft- und Raumfahrtingenieure, immer komplexere Teile und Komponenten herzustellen“, fügt Matt Karesh, Account Manager für technische Geschäftsentwicklung bei Velo3D Inc. hinzu. „Wenn Sie wissen, wie Sie die Technologie nutzen können, können Sie eine Funktionskombination erfüllen.“ , Leistung, Herstellbarkeit und Kosten in einem Teil.

„Die additive Fertigung gibt Luft- und Raumfahrtingenieuren aus gestalterischer Sicht viel mehr Freiheit, die richtigen Kühlraten und Wärmeübertragungskoeffizienten in ein Teil zu integrieren“, erklärt Karesh. „Es ist auch eine Möglichkeit, Teile zu konsolidieren und einige traditionelle Guss-, Schmiede-, Bearbeitungs-, Löt- und Schweißprozesse zu eliminieren.

„Allerdings ist die additive Fertigung kein Ersatz für all das“, betont Karesh. „Die Technologien ergänzen sich. Es gibt fast nie ein gedrucktes Teil, das aus einer Maschine kommt und direkt zu seiner Endanwendung gelangt. Teile benötigen normalerweise irgendeine Art von Wärmebehandlung und Oberflächenveredelung.“

Hermeus verwendet die Sapphire- und Sapphire XC-Maschinen von Velo3D. Letzterer ist ein Großformatdrucker, der für die Massenproduktion konzipiert ist. Beide Maschinen sind für den Druck von Teilen aus Inconel 718 kalibriert.

Sapphire hat einen Bauraum von 315 x 400 Millimetern, während Sapphire XC Teile mit einer Breite von 600 Millimetern und einer Höhe von 550 Millimetern drucken kann. Beide Maschinen eignen sich ideal zum Drucken komplexer Formen, die neue Materialien und Toleranzen erfordern.

„Hyperschallflugzeugteile unterscheiden sich nicht spezifisch von anderen Luft- und Raumfahrtteilen“, erklärt Case. „Vieles von dem, was von diesen Teilen verlangt wird, ist ein bisschen anders. In bestimmten Teilen gibt es extreme Hitzebelastungen. Auf sie wirken viele aerodynamische Kräfte und Drücke, Temperaturen und ähnliches, die viel schwerwiegender sind.“ als in einem typischen Flugzeug.

„Im Allgemeinen arbeiten wir mit Legierungen auf Nickelbasis und Titanlegierungen; mehr als in der traditionellen Luft- und Raumfahrtwelt“, sagt Case. „Normalerweise verwendet man in den heißen Abschnitten viele Aluminiumlegierungen und vielleicht auch einige Titanlegierungen.

„Die additive Fertigung ermöglicht die gekoppelte Kühlung bestimmter Komponenten“, betont Case. „Stellen Sie sich das im Grunde wie in einem winzigen Zuhause vor, in dem jedes kleine Möbelstück im Wesentlichen zwei Funktionen erfüllen muss. Die additive Fertigung ermöglicht dies. Sie können mehrere Funktionen innerhalb eines Teils haben und in der Lage sein, dieses Teil tatsächlich zu produzieren, anstatt nur ein einziges Stück zu haben.“ teurer Herstellungsprozess.

Die additive Fertigungstechnologie ermöglicht es den Hermeus-Ingenieuren auch, Teile zu maximieren.

„Im Gegensatz zu Raketentriebwerken, bei denen man möglicherweise viele Injektoren in einem einzigen Injektorkopf oder einer einzelnen Brennkammer zusammenfassen kann, liegt der Vorteil, den wir durch den 3D-Druck erzielen, weniger in der Teilekonsolidierung als vielmehr in der Möglichkeit, Teile herzustellen.“ schneller", sagt Case.

Hermeus nutzt die Sapphire XC-Maschine zum Drucken großformatiger Metallteile. Foto mit freundlicher Genehmigung von Velo3D Inc.

„Mit dem 3D-Druck können wir schnelle Prototypen erstellen“, fügt Case hinzu. „Eigentlich geht es für uns nicht so sehr um die Teilekonsolidierung, sondern um die Konsolidierung der Lieferkette. Wir können einen Haufen Pulver oder einen Haufen Draht kaufen und daraus eine große Anzahl von Teilen drucken und entwickeln.“

„Sobald man ein gutes Teil erreicht hat, ist die Produktion nicht unbedingt schwieriger“, erklärt Case. „Ich denke, es ist schwieriger zu konstruieren, allein aufgrund der gekoppelten Natur der tatsächlichen Teile, die in einem Hyperschallflugzeug zusammenwirken. Der Motor beeinflusst den Einlass. Der Einlass beeinflusst das Fahrzeug. Das Fahrzeug beeinflusst den Motor.“

„Es ist sehr kreisförmig und man muss alles gemeinsam entwerfen“, bemerkt Case. „Aus gestalterischer Sicht ist es also eine große Herausforderung. Wenn man in diesen sehr anspruchsvollen und extremen Umgebungen ein Teil in 3D drucken oder mehrere Verwendungsmöglichkeiten innerhalb von Teilen schaffen kann, [ist es von Vorteil].“

Inconel 718 ist ideal für viele Arten von Hyperschallflugzeuganwendungen, da es selbst bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt eine hohe Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bietet. Das korrosionsbeständige Nickel-Chrom-Material hält vielen extremen Temperaturen stand.

„Inconel 718 ist eine gut entwickelte Legierung im Bereich der additiven Fertigung“, sagt Karesh von Velo3D. „Es kann viel wirtschaftlicher sein, Teile aus dem Material zu drucken, anstatt diese Teile maschinell zu bearbeiten. Die Materialkosten selbst machen normalerweise 10 bis 15 Prozent der Kosten eines gedruckten Teils aus. Inconel 625 ist auch für Hyperschallanwendungen beliebt.“ Fertigungsanwendungen.“

Neben Inconel verwenden die Hermeus-Ingenieure auch andere Arten fortschrittlicher Materialien zur Herstellung von Motoren, Rümpfen und Flügeln.

„Wir verwenden häufig Inconel 718“, sagt Case. „Allerdings verwenden wir auch viel Titan. Der größte Teil der Flugzeugzelle wird aus Titan bestehen.“

„Wenn ein Hyperschallflugzeug mit Mach 5 fliegt, können die Stagnationstemperaturen 1.900 F erreichen“, erklärt Case. „Aber wenn man sich die Strahlungsgleichgewichtstemperatur entlang der Oberfläche des Fahrzeugs ansieht – insbesondere an den Leeseiten des Flugzeugs –, leitet man viel Wärme in die Flugzeugzelle ein, gibt aber auch einen Großteil davon durch Strahlung ab.“ .

Das Quarterhorse wird irgendwann im nächsten Jahr seinen Jungfernflug machen. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Hermeus Corp.

„Die Oberflächentemperatur liegt also letztendlich bei etwa 800 °F“, betont Case. „Das bietet sich wirklich für Titanlegierungen an. Ich verwende den Begriff ‚heiße Struktur‘ nicht gern, weil damit Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe impliziert werden. Wir verwenden eher eine ‚warme Struktur‘, sodass wir auf die Verwendung von Titanlegierungen verzichten können, z. B 6Al-4V. Es gibt noch ein paar andere kleine Geschmacksrichtungen, die wir ebenfalls in Betracht ziehen.

„Wir verwenden dort nicht viel Aluminium, überlegen aber auch, möglicherweise einige Kupferteile für Antriebsanwendungen zu drucken, da es sich um ein Hochtemperaturmaterial handelt“, sagt Case.