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Space Exploration - - CONTENTS - 文/ 松堂

3D打印的下一代火箭发动机来自外星文明的奥陌陌?卫星太阳能电站:未来的希望之光

有一种说法认为,当人们拥有一种新技术之后,初期往往用来做一些传统的工作。当充分掌握之后,往往会发明出全新的理念,对整个学科产生颠覆性的作用。3D打印技术就是其中的一个例子。

便宜了一半的发动机

火箭发动机的结构复杂,零件外形不规则,在传统的金属切削工艺下,有些零件的制造非常困难。3D打印首先用在了这些方面。 一般来说,如果要把两个用不同材料制成的零件结合在一起,就需要用上焊接等手段,连接部分总是会存在机械失效的风险,例如火箭发动机里用的点火器。

ASA马歇尔飞行中心的科研人员尝试着用3D打印来解决这个问题。他们用铬镍铁合金和铜锌合金材料,打印出了一种高 25.4 厘米、直径 17.8 厘米的部件。用传统方法,这个部件要用4个不同的部件铜焊在一起;而用3D 打印,可以一次性解决。

制造完成后,这个点火器经历了33次测试,模拟了从首次点火到高空二次点火的不同工况。其中一次工作了10秒,其余都工作了5秒;最低工作温度-157℃,最高工作温度达到1204℃。实验结束之后,阿拉巴马大学的研究人员把点火器纵向剖开,发现两种合金结合得很好,之间有一个相当大厚度的互扩散层,比传统的焊接工艺效果一点都不差。马歇尔中心工程部的负责人认为,3D打印技术至少能把未来发动机的制造成本降到今天的三分之一,制造周期减少一半。

事实证明,马歇尔中心的判断是有道理的。在美国主要发动机制造商之一的阿罗杰特公司,3D打印技术的

引入让复杂零部件的制造工时减少了50%以上。

在联合发射联盟公司正在研制的“瓦尔肯”火箭中,上面级就打算采用阿罗杰特公司的RL10C-X 发动机。联合发射联盟公司多年来一直因为发射服务价格太高而为业界所诟病,因此在“瓦尔肯”的研制中,要求大幅度降低成本,但不能影响到可靠性和性能。3D打印在其中发挥了决定性的作用。

然而,RL10C-X的主要设计,与55年前投入使用的“宇宙神-半人马座”火箭基本相同,只是用了不同的工艺而已。同样的事情也发生在相当多其他火箭发动机型号上。这两年声名鹊起的火箭实验室公司及其电子号小型火箭也如此。这种火箭的主要部件都是3D打印出来的,但是发动机的外观看起来和传统型号没什么差别。

复仇女神发动机

随着3D打印技术逐渐为人们所熟悉,新的思路出现了。一家名为增材制造火箭的公司发现,3D打印技术可以为设计师提供更大的自由度,排除很多传统设计所必须面对的障碍。这家公司的总裁在读大学的时候,曾经从事过美国宇航局资助的3D打印火箭发动机设计,毕业后进了太空探索技术公司,参 加了灰背隼系列发动机的研究,其中也用到了3D打印技术。

在科研过程中,他们发现,现有的火箭设计方法似乎没有把3D打印技术的潜力充分发挥出来。那些用3D 打印出来的部件,用传统工艺也能造出来。那么,3D打印能不能实现一些全新的东西呢?

于是,这群小伙伴一起创办了增材制造火箭有限公司,首先打算设计一

种双组元燃料的发动机。火箭发动机的核心功能,无非是流体和热量的运动,那么有没有最优的方案呢?

增材火箭公司的首席科学官在接受记者采访的时候,解释了该公司如何把 3D打印和其他工艺结合起来,创造出新的航天工业制造解决方案。他此前曾经供职于诺斯罗普格鲁曼公司,担任电子机械工程师,对设计工作颇有心得。这家公司编制了一种独特的算法,称为生成型设计,由计算机自动生成数千种不同设计的优劣,在给定的边界条件下对比。最后得出的最优设计,是传统工艺无法实现的,只能用3D打印技术制 造出来。如果设计师们秉承传统设计思维,甚至都不会想到这样的方案。

用这种理念,这家公司研制出了一种小型再生式冷却发动机,称之为Nemesis,这个词可以解释为复仇女神涅墨西斯,也可以直接解释为“报应”。公司之所以给新产品起这么个虐心的名字,因为“它给我们带来了太多的麻烦和头疼”。Nemesis的外观和传统发动机差不多,但是如果把它切开,就会发现很大的不同。里面布满了用来传送煤油和液氧的通道,看起来就像人的血管或者树木的脉一样。而在从前,这些通道都是单独的管道,从储箱引出,进 入燃料泵,然后再通过复杂的回路进入燃烧室。有时,低温燃料的管道还要通过发动机喷管的外壁,来给这个部分降温,因此需要用复杂的工艺来构建流体通道。有了3D打印技术,上面所有这些要素可以设计成一个部件,让流体通道天然生长在结构体内。

增材火箭公司正在开发一种低价的两级火箭,以及跨度更大的吸气式发动机系统。

新思路新软件

为了支持新的设计思路,需要采用全新的设计工具。一家叫做 Betatype的英国公司为此推出了一系列软件。Betatype公司在自己的社交媒体中说, “我们工作的一部分就是理解业界在设计和制造火箭发动机中面临的困难,从新的应用中直接学习,从而研发新的技术。”

具体的做法包括:推出一种叫做ARCH的开放式文件结构,降低人们处理计算机辅助设计文件时的难度;围绕金属粉末烧结技术开发工艺;优化激光移动方式来实现精益制造。

出口锥的新故事

这样的功能,让工程师们迸发了灵感。另一家叫做AMAERO的公司同样利用 Betatype 平台设计出了真正能点火运行的发动机,它的外观看起来和传统的火箭发动机完全没有相同之处,连科幻电影当中都没有出现过这样的造

型。但在实际试车中,它的表现相当不错。

按传统,火箭发动机的基本结构都由一个燃烧室后接钟形的喷管组成。喷管分为收缩段、喉部、扩张段三个部分。几十年来,这种被称为拉瓦尔喷管的结构没有显著变化。它的问题在于,当火箭在稠密大气中飞行的时候效率很高,但到了空气稀薄的高空,推力就会显著下降。为了解决这个问题,人们尝试着在喷管后部增加出口锥,发动机工作时,燃气沿着出口锥向后,先是紧紧 围绕着它流动,随着飞行高度的增加和外部气压的下降,燃气流场逐渐扩张,形成了理想的构型,可以在任意高度达到最佳推力。

然而,这种设计要想投入实用,必须解决两个问题。首先是如何设计出口锥的支撑结构,二是如何给出口锥本身散热。它工作在燃气流的中心位置,温度之高是可想而知的。所以,出口锥的设计只能在很少的火箭型号上看到。

AMAERO公司的工程师马腾·朱格解释了自己的理念。他们设计了一种 长 300毫米的出口锥,用一根长240毫米的圆柱杆支撑,用壁厚只有0.5 毫米的镍基合金制成,伸出发动机喷口之外。

为了防止过热,用于注入燃料的引注器和阀门组全都与共形冷却系统集成在一起,置于燃烧室的内表面之下。如果没有3D打印技术,这种想法是不可能实现的,只能用大量管道和阀门艰难地组装在一起。而利用 Betatype 平台,以 316L不锈钢粉为原料,用EOS M280 金属3D打印机,就制造出了这种外观奇特的发动机。 实际试车的结果令人满意,火箭喷射出了理想的燃气流。

根据 3D打印技术来设计火箭发动机,还有一个很大的优点,就是可以根据每个用户的需求来调整设计。传统火箭发动机一般会推出几个固定的配置,修改某个配置,就需要重新计算和测试,代价很大。基于3D打印和一体化设计技术,修改设计就容易得多,可以根据需求,打印出各种尺寸、形状和状态的零件来。

与此同时,3D打印也能使更多企业具备设计和生产航天器零件的能力,这对于创业企业和学术机构来说具有很重要的意义。他们可以比较容易地买到宇航级部件,不用和大公司、军队和政府争夺有限的供应商了。

▲ 3D打印可以在发动机内部形成复杂的管路,这是传统制造很难做到的

▲测试中的3D打印发动机,火焰看上去很稳定

▲ 3D打印的发动机外观更加简洁

▲增材火箭公司用3D打印出来的“报应”火箭发动机

▲ AMAERO 公司的3D打印火箭发动机准备试车 ▲ AMAERO 用 3D打印实现了出口锥的应用

▲ AMAERO 公司 3D打印发动机在试车中表现还不错

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