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郭道平

2018-08-15 | 聚焦

美国阿贡国家实验室开发高超声速推进系统

2018年8月14日,美国《国防杂志》网站在“研发特别报道:联邦投资的研究实验室”专题中,发布了阿贡国家实验室国家安全项目负责人基思·布拉德利撰写的文章“The Big Bet: HYPERSONIC PROPULSION”,内容如下:

国防部将高超声速推进系统列为其首要技术优先事项。其他超级大国也正在开发这项技术,因为以5马赫飞行的高超声速飞行器可以免遭探测、跟踪和拦截。

能源部的阿贡国家实验室通过3个高超声速相关学科的科学研究来帮助加强国家安全:复杂的空气动力学、推进和材料科学。

支持这一专业知识的是阿贡国家实验室在硬X射线科学、建模和仿真以及高性能科学计算方面的独特实验能力,所有这些都通过现场用户设施来提供。

以5马赫或更快的速度飞行需要不同于现代飞机的推进系统。阿贡国家实验室的硬X射线能力称为高级光子源,通过硬件组件进入高超声速喷气发动机的内部工作,解开复杂流动和燃烧的奥秘,同时不会损害性能。这种能力为高超声速系统的优化设计提供了途径。

阿贡国家实验室的研究还为异型复合材料和陶瓷的设计和制造提供了信息,这些复合材料和陶瓷可以帮助高超声速飞机承受大气阻力产生的应力。很难预测这类材料在实际使用条件下的行为。我们在实验和高性能科学计算方面的专业知识使得能够在全尺寸飞行之前预测工程材料的性能。

一些高超声速喷气发动机部件只能使用增材制造生产,也称为3D打印——这是阿贡国家实验室专业技术的另一个领先领域。

通过增材制造生产的材料中尺度结构决定了其整体性能,这与传统生产方法产生的结构极为不同。先进的光子源实际上可以实现金属凝固成像,允许即时修改打印过程以增强所需的性能。

先进的光子源还揭示了喷气发动机部件的隐蔽特征。制造商需要在制造每个部件时对其进行表征。通过X射线进行原位X射线检查提高了对组件性能的了解,同时也有助于解开增材制造的奥秘,在许多方面这仍然是一个难以理解的过程。

我们正在探索将原位表征方法与机器学习相结合的可能性(教授计算机以从经验中学习),以获得更好的结果。

阿贡国家实验室的阿贡领导力计算机构(ALCF),是能源部领导全国开发下一代超级计算机的几个设施之一。我们的ALCF团队多尺度模拟高超声速科学与工程。例如,我们已经生成了计算量最大的流体动力学模拟,以便在比我们能够测量的更精细的分辨率下理解相关现象,提供只通过实验无法获得的基本见解。

我们与行业和学术界合作,加速高超声速创新。通过这种方式,能源部的国家实验室不仅有助于解决国家最大的问题,而且还使美国国防工业在世界市场上更具竞争力。

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