3D打印的下一代火箭發(fā)動機

有一種說法認為，當人們擁有一種新技術(shù)之后，初期往往用來做一些傳統(tǒng)的工作。當充分掌握之后，往往會發(fā)明出全新的理念，對整個學科產(chǎn)生顛覆性的作用。3D打印技術(shù)就是其中的一個例子。

便宜了一半的發(fā)動機

火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復雜，零件外形不規(guī)則，在傳統(tǒng)的金屬切削工藝下，有些零件的制造非常困難。3D打印首先用在了這些方面。

一般來說，如果要把兩個用不同材料制成的零件結(jié)合在一起，就需要用上焊接等手段，連接部分總是會存在機械失效的風險，例如火箭發(fā)動機里用的點火器。

ASA馬歇爾飛行中心的科研人員嘗試著用3D打印來解決這個問題。他們用鉻鎳鐵合金和銅鋅合金材料，打印出了一種高25.4厘米、直徑17.8厘米的部件。用傳統(tǒng)方法，這個部件要用4個不同的部件銅焊在一起；而用3D打印，可以一次性解決。

制造完成后，這個點火器經(jīng)歷了33次測試，模擬了從首次點火到高空二次點火的不同工況。其中一次工作了10秒，其余都工作了5秒；最低工作溫度-157℃，最高工作溫度達到1204℃。實驗結(jié)束之后，阿拉巴馬大學的研究人員把點火器縱向剖開，發(fā)現(xiàn)兩種合金結(jié)合得很好，之間有一個相當大厚度的互擴散層，比傳統(tǒng)的焊接工藝效果一點都不差。馬歇爾中心工程部的負責人認為，3D打印技術(shù)至少能把未來發(fā)動機的制造成本降到今天的三分之一，制造周期減少一半。

事實證明，馬歇爾中心的判斷是有道理的。在美國主要發(fā)動機制造商之一的阿羅杰特公司，3D打印技術(shù)的引入讓復雜零部件的制造工時減少了50%以上。

在聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司正在研制的“瓦爾肯”火箭中，上面級就打算采用阿羅杰特公司的RL10C-X發(fā)動機。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司多年來一直因為發(fā)射服務價格太高而為業(yè)界所詬病，因此在“瓦爾肯”的研制中，要求大幅度降低成本，但不能影響到可靠性和性能。3D打印在其中發(fā)揮了決定性的作用。

然而，RL10C-X的主要設(shè)計，與55年前投入使用的“宇宙神-半人馬座”火箭基本相同，只是用了不同的工藝而已。同樣的事情也發(fā)生在相當多其他火箭發(fā)動機型號上。這兩年聲名鵲起的火箭實驗室公司及其電子號小型火箭也如此。這種火箭的主要部件都是3D打印出來的，但是發(fā)動機的外觀看起來和傳統(tǒng)型號沒什么差別。

復仇女神發(fā)動機

隨著3D打印技術(shù)逐漸為人們所熟悉，新的思路出現(xiàn)了。一家名為增材制造火箭的公司發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)可以為設(shè)計師提供更大的自由度，排除很多傳統(tǒng)設(shè)計所必須面對的障礙。這家公司的總裁在讀大學的時候，曾經(jīng)從事過美國宇航局資助的3D打印火箭發(fā)動機設(shè)計，畢業(yè)后進了太空探索技術(shù)公司，參加了灰背隼系列發(fā)動機的研究，其中也用到了3D打印技術(shù)。

在科研過程中，他們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的火箭設(shè)計方法似乎沒有把3D打印技術(shù)的潛力充分發(fā)揮出來。那些用3D打印出來的部件，用傳統(tǒng)工藝也能造出來。那么，3D打印能不能實現(xiàn)一些全新的東西呢？

于是，這群小伙伴一起創(chuàng)辦了增材制造火箭有限公司，首先打算設(shè)計一種雙組元燃料的發(fā)動機?；鸺l(fā)動機的核心功能，無非是流體和熱量的運動，那么有沒有最優(yōu)的方案呢？

增材火箭公司的首席科學官在接受記者采訪的時候，解釋了該公司如何把3D打印和其他工藝結(jié)合起來，創(chuàng)造出新的航天工業(yè)制造解決方案。他此前曾經(jīng)供職于諾斯羅普格魯曼公司，擔任電子機械工程師，對設(shè)計工作頗有心得。這家公司編制了一種獨特的算法，稱為生成型設(shè)計，由計算機自動生成數(shù)千種不同設(shè)計的優(yōu)劣，在給定的邊界條件下對比。最后得出的最優(yōu)設(shè)計，是傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的，只能用3D打印技術(shù)制造出來。如果設(shè)計師們秉承傳統(tǒng)設(shè)計思維，甚至都不會想到這樣的方案。

用這種理念，這家公司研制出了一種小型再生式冷卻發(fā)動機，稱之為Nemesis，這個詞可以解釋為復仇女神涅墨西斯，也可以直接解釋為“報應”。公司之所以給新產(chǎn)品起這么個虐心的名字，因為“它給我們帶來了太多的麻煩和頭疼”。Nemesis的外觀和傳統(tǒng)發(fā)動機差不多，但是如果把它切開，就會發(fā)現(xiàn)很大的不同。里面布滿了用來傳送煤油和液氧的通道，看起來就像人的血管或者樹木的脈一樣。而在從前，這些通道都是單獨的管道，從儲箱引出，進入燃料泵，然后再通過復雜的回路進入燃燒室。有時，低溫燃料的管道還要通過發(fā)動機噴管的外壁，來給這個部分降溫，因此需要用復雜的工藝來構(gòu)建流體通道。有了3D打印技術(shù)，上面所有這些要素可以設(shè)計成一個部件，讓流體通道天然生長在結(jié)構(gòu)體內(nèi)。

增材火箭公司正在開發(fā)一種低價的兩級火箭，以及跨度更大的吸氣式發(fā)動機系統(tǒng)。

新思路 新軟件

為了支持新的設(shè)計思路，需要采用全新的設(shè)計工具。一家叫做Betatype的英國公司為此推出了一系列軟件。Betatype公司在自己的社交媒體中說，“我們工作的一部分就是理解業(yè)界在設(shè)計和制造火箭發(fā)動機中面臨的困難，從新的應用中直接學習，從而研發(fā)新的技術(shù)。”

具體的做法包括：推出一種叫做ARCH的開放式文件結(jié)構(gòu)，降低人們處理計算機輔助設(shè)計文件時的難度；圍繞金屬粉末燒結(jié)技術(shù)開發(fā)工藝；優(yōu)化激光移動方式來實現(xiàn)精益制造。

出口錐的新故事

這樣的功能，讓工程師們迸發(fā)了靈感。另一家叫做AMAERO的公司同樣利用Betatype平臺設(shè)計出了真正能點火運行的發(fā)動機，它的外觀看起來和傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機完全沒有相同之處，連科幻電影當中都沒有出現(xiàn)過這樣的造型。但在實際試車中，它的表現(xiàn)相當不錯。

按傳統(tǒng)，火箭發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)都由一個燃燒室后接鐘形的噴管組成。噴管分為收縮段、喉部、擴張段三個部分。幾十年來，這種被稱為拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。它的問題在于，當火箭在稠密大氣中飛行的時候效率很高，但到了空氣稀薄的高空，推力就會顯著下降。為了解決這個問題，人們嘗試著在噴管后部增加出口錐，發(fā)動機工作時，燃氣沿著出口錐向后，先是緊緊圍繞著它流動，隨著飛行高度的增加和外部氣壓的下降，燃氣流場逐漸擴張，形成了理想的構(gòu)型，可以在任意高度達到最佳推力。

然而，這種設(shè)計要想投入實用，必須解決兩個問題。首先是如何設(shè)計出口錐的支撐結(jié)構(gòu)，二是如何給出口錐本身散熱。它工作在燃氣流的中心位置，溫度之高是可想而知的。所以，出口錐的設(shè)計只能在很少的火箭型號上看到。

AMAERO公司的工程師馬騰·朱格解釋了自己的理念。他們設(shè)計了一種長300毫米的出口錐，用一根長240毫米的圓柱桿支撐，用壁厚只有0.5毫米的鎳基合金制成，伸出發(fā)動機噴口之外。

為了防止過熱，用于注入燃料的引注器和閥門組全都與共形冷卻系統(tǒng)集成在一起，置于燃燒室的內(nèi)表面之下。如果沒有3D打印技術(shù)，這種想法是不可能實現(xiàn)的，只能用大量管道和閥門艱難地組裝在一起。而利用Betatype平臺，以316L不銹鋼粉為原料，用EOS M280金屬3D打印機，就制造出了這種外觀奇特的發(fā)動機。 實際試車的結(jié)果令人滿意，火箭噴射出了理想的燃氣流。

根據(jù) 3D打印技術(shù)來設(shè)計火箭發(fā)動機，還有一個很大的優(yōu)點，就是可以根據(jù)每個用戶的需求來調(diào)整設(shè)計。傳統(tǒng)火箭發(fā)動機一般會推出幾個固定的配置，修改某個配置，就需要重新計算和測試，代價很大?；?D打印和一體化設(shè)計技術(shù)，修改設(shè)計就容易得多，可以根據(jù)需求，打印出各種尺寸、形狀和狀態(tài)的零件來。

與此同時，3D打印也能使更多企業(yè)具備設(shè)計和生產(chǎn)航天器零件的能力，這對于創(chuàng)業(yè)企業(yè)和學術(shù)機構(gòu)來說具有很重要的意義。他們可以比較容易地買到宇航級部件，不用和大公司、軍隊和政府爭奪有限的供應商了。