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3D打印在火箭研制過程中的應(yīng)用

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自1969年登月以來，人類從未停止過對(duì)星空的追求。然而，改變的是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段。自阿波羅11號(hào)以來，火箭已經(jīng)發(fā)生了巨大的發(fā)展，創(chuàng)新是關(guān)鍵詞，近年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了增材制造。我們看到越來越多的3D打印火箭，無論它們是正在開發(fā)中還是已經(jīng)被送入太空。在下面隨機(jī)排序的列表中，我們研究了一些最令人興奮的項(xiàng)目，從全3D打印火箭到使用3D技術(shù)制造和優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零件。

Angikul Cosmos的Agnibaan

Agnibaan是最新的3D打印火箭項(xiàng)目之一。它直接來自印度航空航天設(shè)備制造商Agnikul Cosmos，該公司認(rèn)為進(jìn)入太空應(yīng)該是每個(gè)人都可以做到的。這就是該公司轉(zhuǎn)向3D打印的原因。據(jù)該公司稱，Agnibaan（梵語中的意思是“火箭”）是世界上第一枚配備單件3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭，盡管Agnikul尚未宣布該項(xiàng)目使用了哪些技術(shù)。Agnibaan于5月30日上午7點(diǎn)15分成功發(fā)射，標(biāo)志著印度航天工業(yè)增材制造向前邁出了一大步。

照片來源：Angikul Cosmos

發(fā)射器的E-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

Launcher是一家成立于2017年的公司，與美國(guó)太空部隊(duì)、美國(guó)空軍和美國(guó)宇航局合作開發(fā)高性能火箭和軌道傳輸飛行器。尖端液體推進(jìn)技術(shù)與3D打印的使用相結(jié)合，誕生了E-2液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它是一種封閉式內(nèi)燃機(jī)，其燃燒室由銅、鉻和鋯合金制成，可降低成本以及對(duì)供應(yīng)鏈的依賴。因此，Launcher是發(fā)射器領(lǐng)域第一家使用3D打印銅合金制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的公司。此外，后者還具有集成冷卻通道，旨在提高熱效率。Launcher與AMCM一起開發(fā)了AMCM M 4K 3D打印機(jī)，然后用于打印燃燒室。E-2發(fā)動(dòng)機(jī)的同軸噴油器是在Velo3D的Sapphire 3D打印機(jī)上生產(chǎn)的。2022年4月，3D打印的E-2發(fā)動(dòng)機(jī)在NASA斯坦尼斯航天中心測(cè)試時(shí)達(dá)到最大推力，隨后Launcher宣布測(cè)試成功完成。

照片來源：?jiǎn)?dòng)器

ArianeGroup火箭部分采用3D打印技術(shù)制造

阿麗亞娜集團(tuán)是空中客車集團(tuán)和賽峰集團(tuán)的合資企業(yè)。阿麗亞娜6號(hào)是阿麗亞娜集團(tuán)生產(chǎn)的歐洲最新重型發(fā)射裝置，于2024年7月首次發(fā)射成功。阿麗亞娜6號(hào)結(jié)構(gòu)靈活，可承載非常大的載荷。ArianeGroup使用工業(yè)3D打印來制造Ariane 6。因此，許多發(fā)動(dòng)機(jī)部件都是增材制造的，從而降低了成本并最大限度地縮短了生產(chǎn)周期。燃燒室在德國(guó)設(shè)計(jì)和制造。襯里封套例如通過冷噴涂印刷，一體式注射頭通過激光燒結(jié)印刷。該注射頭及其所有元件均由EOS制造。

圖片來源：ArianeGroup

Skyroot Aerospace及其3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)

印度公司Skyroot Aerospace成立于2018年，其目標(biāo)是通過提供快速、精確且價(jià)格實(shí)惠的太空發(fā)射器向所有人開放太空。它在Vikram系列下開發(fā)了多種型號(hào)。但我們特別感興趣的是這些火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)。它名為Dhawan，是一個(gè)3D打印部件。它是一種使用液態(tài)天然氣和液氧的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩種推進(jìn)劑需要低于-150°C的溫度才能儲(chǔ)存和運(yùn)行。無論是Dhawan-I還是第二個(gè)版本，都選擇了金屬增材制造。兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均已成功測(cè)試。Dhawan-II發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)將安裝在Vikram-II火箭上，該火箭預(yù)計(jì)將于今年年底起飛。

大熊座3D打印的哈德利發(fā)動(dòng)機(jī)

Ursa Major是另一家因其在3D打印火箭方面的工作而受到關(guān)注的美國(guó)初創(chuàng)公司。2024年3月，該公司宣布其部分3D打印的哈德利發(fā)動(dòng)機(jī)已成功首飛，速度接近5馬赫。雖然尚不清楚制造哈德利發(fā)動(dòng)機(jī)使用了什么技術(shù)和材料，但我們知道3D打印發(fā)揮了重要作用并且它很可能是由銅制成的，由于該公司之前與EOS的合作，很可能是通過激光粉末床熔融制成的。

哈德利發(fā)動(dòng)機(jī)的熱測(cè)試（圖片來源：Ursa Major）

NASA爆炸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(RDRE)

美國(guó)宇航局繼續(xù)在推進(jìn)技術(shù)方面設(shè)定新的基準(zhǔn)。因此，她使用3D打印制造了第一臺(tái)全尺寸旋轉(zhuǎn)爆炸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(RDRE)。未來，這款發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)重新定義推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。RDRE采用先進(jìn)的推進(jìn)概念，通過超音速燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生推力。這允許更高的功率，同時(shí)消耗更少的燃料。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用激光粉末床熔合制造，采用NASA開發(fā)的GRCop-42銅合金，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在極端條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。2023年秋季，NASA在馬歇爾太空飛行中心進(jìn)行了一系列測(cè)試，以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠承受極端溫度和典型要求，例如集成lambda探測(cè)器。這些測(cè)試是決定性的，因此RDRE具有支持未來月球或火星任務(wù)的必要潛力。

EOS和Hyperganic打印Aerospike火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

2022年，EOS和Hyperganic宣布他們利用人工智能和3D打印成功制造了設(shè)計(jì)特別復(fù)雜的Aerospike火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。Hyperganic是一家成立于2015年的德國(guó)公司，利用其算法設(shè)計(jì)軟件成功再現(xiàn)了受自然啟發(fā)的設(shè)計(jì)。因此，Aerospike火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以其卓越且極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)而著稱。首先，使用EOS M 400-4機(jī)器和NickelAlloy IN718合金從鎳合金3D打印電機(jī)。其次，電機(jī)采用更大規(guī)模的銅制造。

照片來源：EOS

TKL-5液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的AI和3D打印

通過使用計(jì)算工程和增材制造，總部位于迪拜的LEAP 71公司在空間技術(shù)方面取得了重大進(jìn)步。事實(shí)上，該公司使用基于人工智能的Noyron軟件開發(fā)了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是展示該軟件的功能，使完全數(shù)字化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)TKL-5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成為可能，無需人工干預(yù)。得益于人工智能算法，無需CAD設(shè)計(jì)，只需兩周即可優(yōu)化整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)。該電機(jī)由AMCM在銅質(zhì)EOS M290 3D打印機(jī)上生產(chǎn)，與主動(dòng)冷卻相結(jié)合，形成了高性能電機(jī)。謝菲爾德大學(xué)的“太空競(jìng)賽”團(tuán)隊(duì)隨后進(jìn)行了后處理，發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)載工程現(xiàn)場(chǎng)成功進(jìn)行了測(cè)試。它在那里實(shí)現(xiàn)了20,000馬力的推力，因此非常適合在軌道火箭中使用。

照片來源：LEAP 71

Orbex Prime火箭

英國(guó)航天公司Orbex開發(fā)了一種高性能、低碳火箭Orbex Prime。該火箭是使用Nikon SLM Solutions的SLM800金屬3D打印機(jī)制造的。Prime由100%可再生燃料生物丙烷提供動(dòng)力，可減少90%的二氧化碳排放。此外，由于回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，火箭可以重復(fù)使用，該系統(tǒng)也被編程為不會(huì)在地球軌道上留下任何碎片。Prime于2022年在英國(guó)首次公開亮相。

照片來源：Orbex

由Relativity Space 3D打印的Terran 1和Terran R火箭

到現(xiàn)在為止，誰還沒有聽說過相對(duì)論空間？這家總部位于加利福尼亞州的公司自2015年成立以來迅速聲名鵲起，致力于實(shí)現(xiàn)制造全3D打印火箭的目標(biāo)。她就快到了！該公司的第一枚火箭Terran 1于2023年3月成功發(fā)射，但未能進(jìn)入軌道。該火箭幾乎完全采用DED技術(shù)和激光粉末床融合3D打印而成。在推出時(shí)，它是有史以來最高的3D打印金屬結(jié)構(gòu)。該公司的Terran R工作仍在繼續(xù)，預(yù)計(jì)90%是3D打印的，能夠承載的有效載荷是其前身的20倍。Terran R將于2026年開始從卡納維拉爾角空間站16號(hào)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，直接飛向太空探索的未來。

照片來源：相對(duì)論空間

Navier，法國(guó)增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)

Latitude（原Venture Orbital Systems）是一家法國(guó)初創(chuàng)公司，專門從事微型發(fā)射器的設(shè)計(jì)。其首款型號(hào)是Zephyr，長(zhǎng)19米，直徑1.5 m。它配備了由金屬3D打印制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是通過激光粉末床融合制造的發(fā)動(dòng)機(jī)。它被稱為Navier，高45厘米，重30公斤，推力為1.2噸。它是由Inconel 718在SLM 500機(jī)器上在短短幾天內(nèi)制造出來的。2023年初，Latitude成功解雇了Navier，這對(duì)于這家位于蘭斯的初創(chuàng)公司來說是向前邁出的一大步。

照片來源：緯度

火箭實(shí)驗(yàn)室的盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)

加州初創(chuàng)公司Rocket Lab是一家私營(yíng)航空公司，開發(fā)了世界上第一枚電池驅(qū)動(dòng)的火箭——Electron火箭，該火箭于2017年使用3D打印盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)成功完成了首次發(fā)射。它以新西蘭科學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)的名字命名，3D打印的組件包括推力室、兩個(gè)泵、噴油器和主燃油閥。在首次飛行中，火箭實(shí)驗(yàn)室利用十天的發(fā)射窗口從新西蘭馬希亞半島發(fā)射火箭。第二次飛行于2018年進(jìn)行，是一次軌道太空飛行。此后，公司決定進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。使用增材制造生產(chǎn)盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省了時(shí)間和重量。

照片來源：火箭實(shí)驗(yàn)室

3D打印的燃燒室

OPUS Aerospace是另一家專門從事發(fā)射器和航天器設(shè)計(jì)的法國(guó)公司。她開發(fā)了兩種不同的發(fā)射器：Mesange和Sterne。第一個(gè)實(shí)際上是年輕的法國(guó)拍攝的示范者。梅桑格確實(shí)將成為一次考驗(yàn)，并為斯特恩開辟道路。在這兩種情況下，發(fā)射器都集成了Torgos發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室是一次性用3D金屬打印的。Mesange計(jì)劃于2024年從圭亞那發(fā)射，因此將有可能完善Sterne發(fā)射器。

圖片來源：Dominique Quehen和Cécile Bergerot

斯托克航天公司打印可重復(fù)使用火箭的燃燒室

美國(guó)斯托克航天公司通過NOVA為日常太空飛行提供完全可重復(fù)使用的火箭。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該公司還依靠3D打印。斯托克空間公司打印銅燃燒室，一方面是為了快速生產(chǎn)它們，另一方面是為了允許它們重復(fù)使用。事實(shí)上，燃燒室的銅合金特別導(dǎo)電，因此可以重復(fù)使用。由于具有再生冷卻通道，燃燒室具有彎曲的分配管和內(nèi)腔。然而，增材制造使得實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)成為可能。