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猎鹰重型扰乱全球航天行业,3D打印助力未来的发射系统必须是可重复使用的

发布:Photonicseditor    |    2018-02-09 22:43    阅读:950
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美国当地时间2018年2月6日13点30分,SpaceX的猎鹰重型运载火箭,在美国肯尼迪航天中心首次成功发射,并成功完成两枚一级助推火箭的完整回收。

值得重视的是,伊隆·马斯克(Elon Musk)的Spacex正在扰乱全球太空行业。包括中国和印度在内的所有发射提供商都不得不重新考虑降低成本的方法。将卫星、货物和人类放入太空的太空发射公司正试图将价格降低50%以上。这其中3D打印在低成本可回收的卫星制造方面发挥了关键作用。

“猎鹰重型”火箭配有27个梅林发动机,其运载能力惊人,超过目前国际上所有现役的火箭水平,是人类目前最强大的太空运载火箭。

公开资料显示,猎鹰重型火箭向国际空间站、神舟飞船等飞行器所在的近地轨道的发射能力飙升到了63.8吨,约是猎鹰9号火箭全推力版的3倍、航天飞机的2倍。同时,其向通信卫星使用的地球同步转移轨道发射载荷的能力提高到26.7吨,向火星发射载荷的能力为16.8吨,向太阳系边缘的冥王星发射载荷的能力也有3.5吨。

猎鹰重型火箭是从猎鹰9号的基础上改造而来的,高229.6英尺(69.2米),其运载能力达对手联合发射联盟公司Delta IV重型火箭的两倍之多,推力相当于18架波音747飞机。另外重要的一点是,这还是可回收使用的“超重型”运载火箭。

作为三个猎鹰9号并联的重型猎鹰也将和猎鹰9一样进行重复利用,然而就猎鹰9的情况来看重复利用导致其22顿的运力只能发射13t的货物(因为在回收时需要保留燃料,极大的影响了运力发挥)。2017年3月30号,一枚复用的猎鹰9号将SES10通讯卫星送入地球转移轨道,并再次成功回收。SpaceX的CTO表示这次复用使成本降低了一半多。

与传统铸造件相比,SpaceX的3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比,3D打印阀体在两天内就完成了。

图片:SpaceX的3D打印推力室

早在2013年SpaceX就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室,使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比,使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本,而相比传统制造发动机的成本,而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机,其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。

SpaceX引爆了可重复利用、低成本的下一代火箭开发竞赛,这背后暗流涌动着3D打印技术的大量运用。NASA于2012年就启动了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造验证机的计划,NASA认为3D打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力。在3年内,团队通过增材制造出100多个零件,并设计了一个可以通过3D打印来完成的发动机原型。而通过3D打印,零件的数量可以减少80%,并且仅仅需要30处焊接。

而在下一代火箭开发中,NASA与SpaceX的合作关系越来越紧密。美国在火箭发射领域的突飞猛进,或许让欧洲的空间发射行业颇感压力。

就在2017年,Ariane集团还获得了欧洲航天局(ESA)的支持,总预算超8千万欧元用于Ariane新一代液氧-甲烷火箭发动机 — Prometheus。Prometheus是Ariane集团与CNES于2015年发起的一项用于继Ariane 6之后的新一代火箭发动机,该发动机的设计特点是低成本,目标是将火箭发动机的制造成本至少降低10倍,并且可重复使用。

5-7普罗米修斯发动机可以为未来阿丽亚娜火箭的第一阶段提供动力,每个发动机耗资100万欧元(合113万美元),而目前为阿丽亚娜5号第一阶段提供动力的单个Vulcain低温发动机的成本为1000万欧元。

Ariane集团计划将Prometheus先用于小型的火箭发射装置,然后进行火箭发动机回收利用的演练工作。在此基础上,将Prometheus用于A6下一代以及A6重复利用型甚至是Ariane下一代火箭发射装置。

根据计划,Prometheus将以所向披靡的成本优势成为下一代火箭发动机的典范。不过,低成本与可重复使用在技术实现方面具有一定的矛盾性,而融合这一矛盾的利器正是3D打印技术。Prometheus LOx-甲烷发动机项目还将利用前所未有的数字化水平进行发动机控制和诊断,并且将3D打印技术的应用贯穿到原型开发和最终生产中。

根据法国航天局的发射主任Jean-Marc Astorg,3D打印和其他技术的应用将火箭开发的时间缩短一半。3D科学谷了解到,3D打印技术的大量采用,简化了循环结构,低成本的机械组装要求,简化了子系统设计。

根据3D科学谷的市场观察,在可回收方面,欧洲有自己的基础,其中可借鉴的经验就是来自于太空飞机。一个典型的例子Skylon有翼飞行器就是英国喷气引擎公司与欧洲空间局(ESA)合作设计的,是对经典太空飞机梦想的回归。使用自己的动力起飞,无人驾驶的Skylon飞入轨道,完成一系列探索宇宙的任务。

而这其中3D打印发挥了重要的作用,新型“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器,该喷油器使得引擎在不到0.01秒中就可以得到急速降温。正是喷油器的作用使得Skylon有翼飞行器达到高达五倍音速的速度,直接飞到地球的轨道。这意味着航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。

3D科学谷看到在人类探索太空的发展历程中,一边是引爆行业竞争的可回收、低成本火箭,一边是起着四两拨千斤重要性的3D打印技术。这其中的竞争规则,值得深思。

来源:3D科学谷

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