《Results in Engineering》：Integrated Aero-Structural Design and Supersonic Flight Validation of a 3D-Printed Composite Rocket Nose Cone
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本研究介绍了采用聚对苯二甲酸乙二醇酯-二醇改性(PET-G)通过熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)制备并经玻璃纤维-环氧树脂(fiberglass-epoxy)复合材料内部增强的火箭头锥之完整气动-结构设计、增材制造及
本研究介绍了采用聚对苯二甲酸乙二醇酯-二醇改性(PET-G)通过熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)制备并经玻璃纤维-环氧树脂(fiberglass-epoxy)复合材料内部增强的火箭头锥之完整气动-结构设计、增材制造及实验飞行验证过程。研究人员选用切向卵形线(tangent ogive)几何外形(长径比C = 2.21)以确保Mach 1.2–2.2工况下的气动效率，并在保守的Mach 2海平面场景下通过高保真计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真评估，该场景代表气动载荷上限。研究人员在组合气动压力与惯性载荷下使用有限元法(Finite Element Analysis, FEA)评估结构性能，结果表明相比未增强热塑性塑料结构，混合3D打印与复合材料增强构型具备更优刚度、更小变形及更均匀应力分布。该头锥集成于全尺寸火箭并通过超音速飞行试验验证：飞行器达约9772 m高度及峰值Mach数约1.7–1.8，早期上升段维持超音速约11.2 s；最大动压约160–170 kPa出现于飞行初秒，对应该最关键气动-结构载荷区，且低于保守CFD预测值，证实数值设计方法的稳健性。飞后检查确认头锥结构完整，无开裂、分层或永久变形迹象。结果为真实超音速环境下运行的3D打印及复合材料增强气动结构提供了罕见的全尺寸实验验证，证明混合增材-复合材料制造用于飞行关键航空宇航应用的可行性。
《Integrated Aero-Structural Design and Supersonic Flight Validation of a 3D-Printed Composite Rocket Nose Cone》论文解读
本文由Catalin Chelmus、Tudor Gheorma、Stefan Ursache、Valentin Toma、Grigore Cican及Teodor Lucian Grigorie合作完成，发表于《Results in Engineering》。当前高性能小型运载火箭、探空火箭及学生实验航天项目快速发展，传统金属或整体复合材料头锥制造需复杂工装与长周期，而单纯FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型）热塑性件层间结合弱、刚度不足，难以满足超音速飞行载荷要求。虽有大量气动外形优化研究，但缺乏增材制造并结合复合材料增强的头锥在真实超音速飞行条件下的全尺寸气动-结构验证数据。为此研究人员开展此项研究，设计切向卵形线(tangent ogive)头锥以PET-G经FDM打印为外壳、内衬手工湿法铺覆玻璃纤维-环氧树脂(fiberglass-epoxy)复合材料，经CFD与FEA校核后集成至单级固体火箭并于国际火箭竞赛中实飞，飞后完好无损，证实混合增材-复合制造可满足Mach 1.2–2.2飞行临界结构要求，为低成本快速开发飞行关键航宇部件提供可复现框架。
关键技术方法：基于长径比C=L/D=2.21的切向卵形线几何建模；ANSYS Fluent密度基求解器k–ω SST（Shear Stress Transport，剪切应力输运）湍流模型对Mach 2海平面条件做CFD获得表面压力分布；ANSYS Workbench中对未增强PET-G及PET-G＋玻璃纤维-环氧等效均质各向同性刚度模型做静力与模态FEA，施加CFD压力与轴向加速度144 m/s2组合载荷；RatRig Core 3.1大型FDM打印机垂直取向打印3 mm壁厚PET-G壳体，内壁打磨后手工湿铺玻璃纤维织物并环氧固化；集成至全长探空火箭通过星载IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）、气压高度计及GPS采集飞行时序数据并后处理得到高度、速度、Mach数、动压及加速度曲线。
3.1. Results of Design of the Nose Cone
研究人员通过解析公式生成100点切向卵形线轮廓导入CAD旋转成实体，加设3 mm均匀壁厚圆柱形肩台(shoulder)接口便于与箭体配合及内部铺层，确认曲率连续、无几何突变，作为CFD与FEA基准几何。
3.2. CFD Results
Mach 2海平面模拟获附着锥形脱体激波，驻点区最高绝对压力，沿卵形线表面压力平滑递减，无流动分离；滞止温度在PET-G/环氧耐受范围；网格无关性检验8×10?单元网格满足y?<20。实际飞行密度低使动压小于此保守工况，确认气动载荷取上界合理。
3.3. FEA Results
对比未增强与增强构型：增强后von Mises应力更均匀分布且高应力仅局限于肩部约束近区，剪应力梯度减小呈膜受力为主，尖部总变形降低且挠度沿母线平缓过渡，安全系数提高；基频约1100 Hz远高于发动机及气动激励频率，无共振风险，证实玻璃纤维增强显著提升抗弯刚度与载荷传递效率。
3.4. Manufacturing results
FDM垂直打印PET-G单体无翘曲分层，内壁打磨后手铺玻纤织物浸渍环氧常温固化，外表面轻微打磨保光顺，成品尺寸稳定无缺陷，实现增材制造几何灵活性与复合材料高刚度的混合结构。
3.5. Integrated in rocket and Flight Data Analysis
火箭升空达约9772 m apogee，峰值Mach≈1.7–1.8（t≈2.7–13.9 s，持续≈11.2 s），最大动压q≈160–170 kPa（t≈3–6 s），峰值轴向加速≈14 g，与FEA假设144 m/s2吻合；实测动压仅为CFD保守Mach 2海平面估算值(280–300 kPa)之55–60%。双级回收系统正常展开。飞后目视检查头锥无裂纹、分层、永久变形或玻纤脱粘，尖部及肩台过渡区几何完整。
讨论与结论翻译
研究人员得出结论：所选切向卵形线在超音速下展现稳定流场、平滑压力梯度且无分离；Mach 2海平面CFD构成保守气动载荷上界。FEA表明玻璃纤维增强改善应力分布、减小变形并使结构响应由弯曲主导转为膜受力主导，提升肩部载荷传递与安全裕度。飞行试验实测峰值Mach 1.7–1.8、最大动压160–170 kPa低于数值保守假定，CFD/FEA与飞测数据吻合良好。双级回收正常运作。飞后头锥结构完整无损伤，证明PET-G与玻璃纤维-环氧树脂混合构型可承受真实超音速气动-结构联合载荷。整体工作填补了全尺寸超音速验证增材制造航宇结构之空白，确立快速低成本开发框架，对教育团队及新兴航宇开发者具重要参考价值。
