3D Systems的Geomagic协助“北美之鹰”创下陆上极速纪录

以F-104战斗机机身创建喷气动力汽车需要最好的3D技术

2017-11-29

北美之鹰，是美国一名工程师一辆由战斗机改装的汽车。该工程师希望创造一项新北美之鹰的陆上速度记录，即时速达到800英里(约合每小时1287公里)左右，超出音速45英里(约合72公里)。

上图，北美之鹰低速测试阶段

故事背景

沙德勒是一名已经退休的IBM现场工程师，虽然现在已经67岁高龄(2009年)，但他仍没有放弃自己酷爱的赛车运动，并且还是这个圈子里的一把好手。10几年前，沙德勒和好友基思·詹格希(Keith Zanghi)在美国缅因州购买了一架破旧的飞机，他们将机身上凹陷的地方弄平，定制了内部设施，而后换上一台大功率引擎并把改装后诞生的汽车刷上红漆。

上图，古稀之年的沙德勒，“北美之鹰”所有者

据悉，这架破飞机是洛克希德.马丁公司制造的F-104“星”式战斗机。这种单引擎2.2马赫截击机曾经是上世纪50年代和60年代的天空统治者。沙德勒承认：“在一个‘9·11’恐怖袭击事件发生后的年代，我们可能无法买到这样的飞机。”幸运的是，他们的F-104是在1999年买的，价格为2.5万美元。F-104改装后的汽车被他们命名为“北美之鹰”。

竞争对手

在向新的陆上速度纪录发起冲击过程中，“北美之鹰”面临着残酷竞争。1997年，英国人理查德·诺伯(Richard Noble)和安迪·格林(Andy Green)在挑战中突破音障，创造了当前的速度纪录——时速763英里(约合每小时1227公里)。2008年晚些时候，他们又宣布启动一项为期3年的新计划，也就是所谓的“寻血猎犬”计划，研制一辆时速可达到1000英里(约合每小时1609公里)的喷气-火箭汽车。

获得资助

“寻血猎犬”项目获得私营企业赞助、大学技术支持、英国政府的认可以及部分教育经费。相比之下，参与“北美之鹰”制造的只有大约44名志愿者，他们甘愿放弃周末和休假，打造这辆终极高速改装车。

天使般的赞助者为“北美之鹰”的制造贡献了极为重要的硬件、建议以及技术，与这支团队的很多人一样，他们这么做主要是因为好玩。詹格希说，过去10年来，他和沙德勒共为“北美之鹰”筹集了大约25万美元资金，他们的心中只有一个想法——“我们到底要什么?”。接受采访时，沙德勒还像平常一样，懒洋洋地笑着说，“北美之鹰”的速度一定很快。

挑战陆上速度纪录

“我们想从零开始在CAD系统中建模。但是，很快意识到没法人工测量。” Geomagic(杰魔)系统正好能胜任此任务。

1997年，理查德•诺贝尔驾驶“推力SSC”型汽车，为英国捧回了陆上极速纪录。那之后，沙德勒和好友基思·詹格希(Keith Zanghi)一直想在美国打破该纪录。经过十年的研发，愿望得以实现，以打破陆上极速纪录为目标的北美之鹰(NAE)诞生了。该辆车由超音速战机Lockheed F-104改装而成，设计成56英尺长的喷射动力汽车。为了达到771英里以上的时速，这支研发团队充分发挥了精妙才华，创新设计出这辆影响未来的汽车。

2012年，该团队进入速度测试阶段，集成了更先进的遥测技术、高速降落伞和磁性防抱死制动系统等。募集资金是这支团队一直以来面对的大问题之一。目前募集到的金额正在不断增加。此外，包括Valerie Thompson(摩托车陆上极速赛车手)在内的车手和一些专职工程师均已加入这支团队。

上图：F-104战斗机机身

但是，梦寐以求的高速测试，并不是轻易就能获得胜利的——英国和澳大利亚也都在竞争中，理查德•诺贝尔的BloodhoundSSC也将在年底进行测试。谁会赢?英国队拥有大量的资金作为后盾，北美团队看上去似乎是不可能夺冠。但是，历史已经反复证明，世界上所有的资金赞助都敌不过一支优秀的工程团队——再加点小运气。北美之鹰队也许会胜出。

1998年，该团队开始对Lockheed F-104星式喷气战斗机进行改造，以适应地面使用。这支位于华盛顿州的团队利用空闲和周末时间改造机体。与此同时，工程师还研制了悬挂、制动和车轮系统。改造和测试喷气发动机，为北美之鹰提供动力。车辆初具雏形，工程团队意识到成功的关键之一是确保车辆具有完美的空气动力学性能和抗冲击性能。

为此，需要先进的计算流体动力学(CFD)和有限元分析软件。而在这之前，一辆完美的3D模型车是必需的。

上图：机身的三维模型

“最初，我们想在CAD系统中从头开始建模，”团队创始人之一的Ed Shadle说，“但是，我们很快意识到没法通过手工测量来制作模型。我们构想的形状实在太复杂、太特别，以致于难以手工订制”。

在阅读了有关3D逆向工程的信息后，Ed 和Keith与3D Systems公司进行了交流。所谓3D逆向工程，是指3D扫描数据，然后将扫描结果移至可用的3D数据中。3D Systems的Geomagic提供软件，能将扫描数据创建成高度准确、可用的3D数据，以供工程、设计和制造用途。3D Systems公司派了部分Geomagic团队成员参与北美之鹰的项目，很快该项目就开工了。

采用FARO的激光3D扫描仪和Capture3D技术，扫描车辆后，创建出含三千万个点的点云。据此，Geomagic Design X软件快速读取并将其转化成精确的可用3D数据。将3D模型导入CFD和FEA软件，以辅助整个团队研究气流、测量震波的效果，以及不同材料对性能的影响等众多问题。

上图：FARO Photon Laser scanner 激光3D扫描仪

“自从拥有了可分析的3D数据，我们就快速、大胆地勇往直前，”团队创始人之一的Keith Zanghi说，“我们发现，空气动力学的问题应该在测试前得到解决。但更重要的是，我们开始意识到，车身的改动也会对车辆的整体性能、稳定性和安全性产生至关重要的影响。这就是从绝妙创意转为可行车辆的关键点。”

【努力突破音障】

(译注：音障是指飞行器速度接近音速时，会追上自己发出的声波造成震波，进而对加速产生障碍的现象。进入超音速后，航空器前端起会产生一股圆锥形的音锥，在旁观者听来有如爆炸一般，称为音爆或声爆。)

“北美之鹰”冲击速度纪录面临着诸多挑战，其中一个大障碍就是音障。在时速超过350英里(约合每小时563公里)情况下，橡胶轮胎会因与地面摩擦产生的高温熔化，为此，“北美之鹰”使用了定制的单坯锭铝合金车轮。车轮上刻有凹槽，以便在柔软的路面上牵引汽车。但在沥青或者混凝土路面上，这种车轮便形同虚设。“北美之鹰”的制动系统采用特殊的合金磁铁，磁鼓靠近移动的铝合金车轮时可产生4700制动马力。刹车过程中，“北美之鹰”会逐渐停止前进脚步，而不是让车轮停止运转。

挑战过程中，无法精确估量的便是音障。在天空中，这种冲击波会慢慢消散，但在陆地上，音障却可从地面弹起而后将汽车弹向空中。由于每一款汽车都是独一无二的，每次解决音障问题也不得不采取不同的方式。在此过程中，电脑建模虽然扮演了重要角色，但也只是在某种程度上。

自2006年以来，“北美之鹰”汽车和它的研发团队持续进行着苛刻的测试，从时速200英里提高到441米。每一次提速，都要回到实验室重新开始设计、搞出新发明。新技术必须能承受地面驾驶时突破音障所带来的震波。

该项研究和创新意味着，这支团队已经研发出新的磁性制动系统，时速800英里时能够生成3600制动马力，而不发生任何损耗。为了达到机器的运行速度，必须设计和制造新的高速轴承和特种润滑油，以保障950英里时速下的车轮安全性。全新材料的高速降落伞，用于确保车辆能停下来。团队一直在测试nanolaminate材料(译注：纳米级的复合材料层压板)——这是美国军方在研究的材料。