3D打印助力未來的發(fā)射系統(tǒng)必須是可重復(fù)使用的…

BERTA燃燒室演示器。來源：ESA

從小型到大型實現(xiàn)技術(shù)傳遞

    2019年2月18日，歐洲航天局（ESA）測試了帶3D打印燃燒室的BERTA火箭發(fā)動機(jī)，其參考升力為2.45 kN（550.78 lbf）。

BERTA燃燒室演示器點(diǎn)火測試。來源：ESA

BERTA被視為3D打印用于更大的發(fā)動機(jī)的ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID為擴(kuò)展循環(huán)技術(shù)集成演示器）。

BERTA燃燒室演示器。來源：ESA

      ETID是下一代10噸火箭發(fā)動機(jī)的先驅(qū)技術(shù)載體，其中一些技術(shù)也可用于升級現(xiàn)有的Vinci發(fā)動機(jī)，Vinci發(fā)動機(jī)為阿麗亞娜6提供動力。通過首次測試被ESA視為增材制造火箭發(fā)動機(jī)零件的重要一步。用于下一代運(yùn)載火箭的100噸級火箭發(fā)動機(jī)Prometheus（普羅米修斯）也將受益于BERTA的測試過程中，并獲得技術(shù)傳承，例如增材制造復(fù)雜零件以及實現(xiàn)低成本燃燒室的制造技術(shù)。

      該燃燒室由Ariane集團(tuán)開發(fā)，作為ESA未來發(fā)射器預(yù)備計劃（FLPP）項目的一部分，由Ariane集團(tuán)開發(fā)的BERTA發(fā)動機(jī)設(shè)計用于“可儲存的推進(jìn)劑”，這意味著燃料可以在室溫下儲存。這種類型的發(fā)動機(jī)可以點(diǎn)燃幾次并且非常可靠。它們可用于地球軌道以外的任務(wù)，并持續(xù)數(shù)月。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，在下一代火箭開發(fā)中，NASA與SpaceX的合作關(guān)系越來越緊密。美國在火箭發(fā)射領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，或許讓歐洲的空間發(fā)射行業(yè)頗感壓力。Ariane集團(tuán)于2017年獲得了歐洲航天局（ESA）的支持，總預(yù)算超8千萬歐元用于Ariane新一代液氧-甲烷火箭發(fā)動機(jī) — Prometheus 。

        Prometheus是Ariane集團(tuán)與CNES于2015年發(fā)起的一項用于繼Ariane 6之后的新一代火箭發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)是低成本，目標(biāo)是將火箭發(fā)動機(jī)的制造成本至少降低10倍，并且可重復(fù)使用。根據(jù)北京航空航天大學(xué)，目前液體火箭發(fā)動機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)主要分為開式循環(huán)和閉式循環(huán)梁洪。開式循環(huán)發(fā)動機(jī)設(shè)計制造成本低，但性能不高。閉式循環(huán)系統(tǒng)推進(jìn)劑可以得到充分利用，發(fā)動機(jī)性能高，其中低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)具有低難度，高性能，高可靠性，重復(fù)使用性強(qiáng)和多起啟動性能好的優(yōu)點(diǎn)。

    低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動機(jī)主要是指氫氧火箭發(fā)動機(jī)，例如Vinci發(fā)動機(jī)，使用低溫氫（LH2：– 負(fù)253°C下的液態(tài)氫）作為燃料，低溫氧（LOX – 零下180°下的液態(tài)氧）作為氧化劑。首先，燃料在燃燒室周圍流動，冷卻并蒸發(fā)。由該方法產(chǎn)生的氣體用于驅(qū)動渦輪泵，氧化劑和燃料進(jìn)入燃燒室，在那里它們與另外的氧化劑一起燃燒。

     增材制造發(fā)揮的作用是制造復(fù)雜設(shè)計的冷卻通道。傳統(tǒng)的制造方法無法一體化的制造如此復(fù)雜的通道，通過3D打印冷卻腔室?guī)в袕?fù)雜冷卻通道的壁。使得發(fā)動機(jī)的性能獲得提升。BERTA發(fā)動機(jī)采用的是選擇性激光熔化（SLM）金屬3D打印技術(shù)，鎳基合金材料用于制造注射頭部分，不銹鋼材料用于制造燃燒室部分。

Review

        ESA在全球市場上面臨的競爭越來越激烈，競爭加劇控制成本的壓力，Ariane 6號是對這種競爭壓力的積極應(yīng)對，因為其發(fā)射費(fèi)用約為Ariane 5號的一半。

3D打印的價值在于賦能制造業(yè)附加值創(chuàng)造”，3D打印附加值創(chuàng)造的能量正在獲得驗證。而隨著先行者占領(lǐng)3D打印賦能價值創(chuàng)造的勢能高地，產(chǎn)業(yè)鏈上將傳遞更多對制造業(yè)附加值的追逐。正如GE所感嘆的3D打印的革命：噴油嘴部件的核心部分只有核桃般大小，卻改變了GE制造航空發(fā)動機(jī)的方式。

      3D打印不僅僅在推動下一代航空飛機(jī)的發(fā)展，也在對航天領(lǐng)域的制造技術(shù)發(fā)生催化劑的作用，根據(jù)Relativity Space，他們可以將火箭零件數(shù)從十萬減少到一千個，并大大減少了數(shù)量級的勞動時間。這將對火箭的交付時間、產(chǎn)品迭代速度和成本產(chǎn)生影響。3D打印助力未來的發(fā)射系統(tǒng)必須是可重復(fù)使用的。而我們已經(jīng)可以清晰的看到，3D打印低成本可重復(fù)利用的下一代火箭發(fā)動機(jī)已經(jīng)引爆新一輪NASA與ESA競賽。