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BERTA燃燒室通過首次測(cè)試,ESA離可回收3D打印火箭更近一步

3D打印助力未來(lái)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(lái)源:ESA

從小型到大型實(shí)現(xiàn)技術(shù)傳遞

    2019年2月18日,歐洲航天局(ESA)測(cè)試了帶3D打印燃燒室的BERTA火箭發(fā)動(dòng)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(cè)試。來(lái)源:ESA

BERTA被視為3D打印用于更大的發(fā)動(dòng)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(lái)源:ESA

      ETID是下一代10噸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的先驅(qū)技術(shù)載體,其中一些技術(shù)也可用于升級(jí)現(xiàn)有的Vinci發(fā)動(dòng)機(jī),Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)為阿麗亞娜6提供動(dòng)力。通過首次測(cè)試被ESA視為增材制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件的重要一步。用于下一代運(yùn)載火箭的100噸級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Prometheus(普羅米修斯)也將受益于BERTA的測(cè)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(shí)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(lái)發(fā)射器預(yù)備計(jì)劃(FLPP)項(xiàng)目的一部分,由Ariane集團(tuán)開發(fā)的BERTA發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用于“可儲(chǔ)存的推進(jìn)劑”,這意味著燃料可以在室溫下儲(chǔ)存。這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)可以點(diǎn)燃幾次并且非??煽?。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(guó)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(lái)越緊密。美國(guó)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(wàn)歐元用于Ariane新一代液氧-甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī) — Prometheus 。

        Prometheus是Ariane集團(tuán)與CNES于2015年發(fā)起的一項(xiàng)用于繼Ariane 6之后的新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是低成本,目標(biāo)是將火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)性能高,其中低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

    低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要是指氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī),例如Vinci發(fā)動(dòng)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(dòng),冷卻并蒸發(fā)。由該方法產(chǎn)生的氣體用于驅(qū)動(dòng)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(jì)的冷卻通道。傳統(tǒng)的制造方法無(wú)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(dòng)機(jī)的性能獲得提升。BERTA發(fā)動(dòng)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(chǎng)上面臨的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,競(jìng)爭(zhēng)加劇控制成本的壓力,Ariane 6號(hào)是對(duì)這種競(jìng)爭(zhēng)壓力的積極應(yīng)對(duì),因?yàn)槠浒l(fā)射費(fèi)用約為Ariane 5號(hào)的一半。

3D打印的價(jià)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(yàn)證。而隨著先行者占領(lǐng)3D打印賦能價(jià)值創(chuàng)造的勢(shì)能高地,產(chǎn)業(yè)鏈上將傳遞更多對(duì)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(dòng)機(jī)的方式。

      3D打印不僅僅在推動(dòng)下一代航空飛機(jī)的發(fā)展,也在對(duì)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(wàn)減少到一千個(gè),并大大減少了數(shù)量級(jí)的勞動(dòng)時(shí)間。這將對(duì)火箭的交付時(shí)間、產(chǎn)品迭代速度和成本產(chǎn)生影響。3D打印助力未來(lái)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(dòng)機(jī)已經(jīng)引爆新一輪NASA與ESA競(jìng)賽。


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