Ein Team der Purdue University 3D-druckt ein Triebwerk für ein Überschall-Flugzeug

Ein Team am Purdue Applied Research Institute (PARI), dem Forschungs- und Entwicklungszentrum der Universität, setzt modernste Anlagen für die additive Fertigung ein, um einen voll funktionsfähigen Prototyp eines Überschall-Staustrahltriebwerks (Scramjet) zu drucken, mit dem Flugzeuge Geschwindigkeiten von Mach 5 und mehr erreichen können.

“Es gibt keine andere universitäre Einrichtung, die in der Lage ist, Hyperschalltechnologien in flugrelevantem Maßstab und unter flugtauglichen Bedingungen herzustellen und zu testen”, sagte der wissenschaftliche Mitarbeiter Will DeVerter, der zusammen mit dem leitenden Prüfingenieur Nick Strahan den Prototyp des Scramjets in Originalgröße entwickelt hat. “Sobald wir ein Teil oder ein System fertig haben, kann ich es über die Straße bringen und es mit einigen der besten Antriebs- und Diagnosetechnologien der Welt testen. Das ist eine einzigartige Fähigkeit, die den gesamten Herstellungs- und Testprozess rationalisiert.”

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Scramjets, die Geschwindigkeiten von Mach 5 und darüber erreichen können, liegt in der Aufrechterhaltung einer Flamme bei extrem hohen Luftgeschwindigkeiten.

“Man muss eine Flamme bei Luftgeschwindigkeiten von mehr als Mach 2 aufrechterhalten. Die technologische Herausforderung besteht also darin, eine Brennkammer zu entwickeln, die effizient arbeitet und Treibstoff verbrennt, wenn die Luft mit wirklich hohen Geschwindigkeiten fließt”, so Strahan.

Mark Lewis, Präsident und CEO von PARI, sagte, dass Scramjets noch in den Kinderschuhen stecken, “aber allgemein als die beste Möglichkeit angesehen werden, eine Rakete oder ein Flugzeug durch die Atmosphäre bei Geschwindigkeiten über der fünffachen Schallgeschwindigkeit, im sogenannten Hyperschallbereich, anzutreiben”. Scramjets sind “im Prinzip sehr einfach”, so Lewis, “aber extrem komplex in der tatsächlichen Konstruktion”, weshalb der Einsatz der additiven Fertigung einen solchen Durchbruch darstellt.

Der Schlüssel zum Prototyp liegt in der Gewichts- und Teilereduzierung, ohne die Funktionalität und geometrische Komplexität zu beeinträchtigen, die für das Funktionieren des Motors erforderlich sind. Dies wird mit dem GE Concept Laser X Line 2000R erreicht, einem Drucker, der für die Metallherstellung in großem Maßstab eingesetzt wird. Der X Line 2000R verwendet ein Verfahren namens Laser-Pulver-Bett-Fusion, bei dem der Laser im Drucker Partikel schmilzt und zu einem festen Teil verschmilzt. Aufgrund dieser Fähigkeit und der großen Kapazität des Druckers werden weniger Teile für den Bau des Motors benötigt, was ein schnelles Prototyping mit höherer Designkomplexität und vereinfachter Montage ermöglicht.

“Das Scramjet-Pilotprojekt ist ein hervorragendes Beispiel für unsere vertikal integrierten Fähigkeiten”, so Michael Sangid, Executive Director von HAMTC. “Wir können aus Rohpulver in wenigen Monaten repräsentative Testdaten eines einsatzfähigen Prototyps erzeugen. Dadurch wird die Flexibilität der additiven Fertigung in das Design des Bauteils integriert und die Effizienz gesteigert.”

“Aufgrund des schnelleren und kostengünstigeren Scramjet-Designs werden wir in der Lage sein, leichter einen Prototyp zu erstellen, ihn zu testen und dann zurückzugehen und das Design zu iterieren, was zur Wissensbasis der Nation im Bereich der Hyperschalltechnik und zur Steigerung der Fähigkeiten beitragen wird”, sagte David Bretz, Senior project manager. “Außerdem sind die Studierenden an allen Aspekten des Projekts beteiligt, vom Entwurf über den Herstellungsprozess bis hin zu den Tests. Die Purdue-Studierenden, von den Studierenden bis zu den Hochschulabsolvent*innen, lernen die Fähigkeiten, die für die Arbeit in der Hyperschallindustrie erforderlich sind.”

Neben der technologischen Innovation bietet das Projekt wertvolle Lernerfahrungen für Studierende aller Stufen, von Undergraduates bis zu Graduierten, und bereitet sie auf Karrieren in der Hyperschallindustrie vor. Die Bemühungen des Teams könnten signifikante Auswirkungen auf die nationale Sicherheit und die Verteidigungsindustrie haben, indem sie kostengünstigere und effizientere Hyperschalltechnologien ermöglichen.