號稱(chēng)能節省30%燃料的3D打印火箭引擎?

號稱(chēng)能節省30%燃料的3D打印火箭引擎 
來(lái)自德國德勒斯登Fraunhofer材料暨光束技術(shù)研究所(Institute for Material and Beam Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)Fraunhofer IWS)，以及德勒斯登工業(yè)大學(xué)(TU Dresden)航天工程研究所的研究人員，以3D打印技術(shù)打造了新式火箭引擎，配備了微型發(fā)射器使用之氣尖噴嘴(aerospike nozzle)，能用以將小型衛星送上太空；研究團隊已經(jīng)制作出按比例縮放的引擎原型，預期這種引擎消耗的燃料能比傳統引擎減少30%。


號稱(chēng)能節省30%燃料的3D打印火箭引擎


該研究團隊表示，小型衛星市場(chǎng)呈現成長(cháng)態(tài)勢，根據市場(chǎng)研究機構Allied Market Research的估計，該市場(chǎng)可從2018年的36億美元，在2026年達到157億美元的規模，期間復合年平均成長(cháng)率(CAGR)為20.1%。小型衛星的重量通常低于500公斤，其市場(chǎng)成長(cháng)動(dòng)力來(lái)自于農業(yè)、能源、土木工程、石油與天然氣等產(chǎn)業(yè)對地球觀(guān)測服務(wù)的需求。

英國打算在蘇格蘭興建一個(gè)太空港──這會(huì )是歐洲的首個(gè)太空港，而德國工業(yè)聯(lián)盟(Federation of German Industries，BDI)也支持建立一個(gè)國家太空港，設置將研究設備與小型微星送上太空的中、小型發(fā)射器平臺；這種小型發(fā)射器的酬載重量可達350公斤。

上述的Allied Market Research研究報告指出，與傳統衛星相較，小型衛星的開(kāi)發(fā)周期較短，所需開(kāi)發(fā)團隊規模也比較小，制造與發(fā)射成本也因此降低；但一個(gè)可能阻礙小型衛星市場(chǎng)成長(cháng)的因素是──缺乏專(zhuān)用發(fā)射器。

德國的研究人員們相信，氣尖引擎能讓微型發(fā)射器更節省能源；經(jīng)過(guò)了兩年的努力，他們在德國聯(lián)邦教育暨科研部(German Federal Ministry of Education and Research，BMBF)的贊助下，成功制作并測試了氣尖引擎，預期燃料消耗量遠低于傳統火箭引擎。

其研發(fā)成果的獨特之處，在于燃料噴射器、燃燒室以及噴嘴都是利用稱(chēng)為「雷射粉床熔融」(laser powder bed fusion，L-PBF)的積層制造技術(shù)一層一層印出來(lái)的；研究人員表示：「噴嘴是以尖狀的中心體組成，這種設計是為了加速燃燒氣體?！?br />
由Fraunhofer IWS與TU Dresden聯(lián)合營(yíng)運的德勒斯登積層制造中心(Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)科學(xué)助理Michael Muller表示，氣尖引擎技術(shù)可回溯到1960年代，而現在他們是將積層制造導入傳統制程，催生更高效率的引擎。

研究人員表示，氣尖噴嘴「能在從地球發(fā)射至太空軌道的過(guò)程中，更良好適應氣壓變化，并因此使其更具效率，燃料消耗量能比傳統引擎更低；」消耗的燃料更少，意味著(zhù)整體系統的重量能進(jìn)一步減輕，并且讓酬載量更大。

為了實(shí)現以積層制造技術(shù)──也就是3D打印──設計與制作的火箭引擎，項目團隊中的TU Dresden航天專(zhuān)家負責為引擎畫(huà)設計圖，Fraunhofer IWS研究人員則進(jìn)行制造與材料的驗證；該團隊的第一步是讓設計能適應積層制造程序，然后是材料的選擇與特征化。接下來(lái)他們以L(fǎng)-PBF技術(shù)制作了引擎的兩個(gè)零件，并對其表面功能進(jìn)行二次加工，用雷射焊接將零件結合；再用計算機斷層掃瞄來(lái)檢查孔洞或其他缺陷，以確保燒結粉末不會(huì )阻塞冷卻通道。

研究人員決定以積層制造技術(shù)制作金屬火箭，是因為這種火箭需要優(yōu)異的冷卻以及內部冷卻通道?！高@種復雜的再生冷卻系統具備如迷宮般的內部管道，無(wú)法以傳統方法銑磨鑄造；」
Fraunhofer IWS的3D制造部門(mén)經(jīng)理Mirco Riede表示：「藉由一層層熔化粉末，這種選擇性的雷射熔融技術(shù)能逐漸形成具備1mm寬度冷卻信道的零件?！顾又?zhù)指出：「冷卻通道沿著(zhù)燃燒室的輪廓，內部殘留的粉末會(huì )被清干凈；這種金屬必須滿(mǎn)足嚴格的要求，在高溫下仍維持固態(tài)與良好的導熱性，以確保最佳冷卻效果?！?br />
研究團隊制作的氣尖引擎原型已經(jīng)過(guò)TU Dresden航天工程研究所的實(shí)驗室測試，達到30秒的點(diǎn)火時(shí)間(burn time)；Muller表示，這證明了使用積層制造技術(shù)能成功打造出可用的液體推進(jìn)噴射引擎。目前研究人員正在研究如何進(jìn)一步提升該噴射系統的引擎效率，于2020年1月啟動(dòng)了名為CFDμSAT的新項目，并與歐洲火箭開(kāi)發(fā)商Ariane Group以及德國大廠(chǎng)西門(mén)子(Siemens)結為伙伴。