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金属3D打印助力“蓝色起源”火箭发动机

2021-08-18 10:46:14 XG 5
北京时间7月20日晚21点10分,在美国德克萨斯州范霍恩附近的蓝色起源一号发射场,新谢巴德号火箭顺利点火升空。

贝索斯和他的弟弟马克·贝索斯、82岁的女飞行员沃利·芬克、18岁的荷兰少年奥利弗·达曼一同乘坐火箭,飞跃了卡门线,在距离地球100公里的太空边界处,环绕11分钟后返回,并顺利着陆。这意味着,贝索斯的蓝色起源首次载人太空之旅,取得成功。

贝索斯的“太空漂流之旅”,视频来自“天文在线”

蓝色起源(Blue Origin)是亚马逊CEO杰夫·贝索斯旗下的一家商业太空公司,2000年成立。2015年11 月,蓝色起源实现“新谢泼德”火箭发射和回收,随后又实现火箭的重复发射,该公司还是获得NASA资助的4家公司之一,由此可见这家公司的实力。它只是不为人知,和“炸机狂人“马斯克比起来,贝索斯要低调的多。此外,蓝色起源在他们的火箭发动机零部件中大量选择了增材制造技术来生产,作为大多数国际商业航空公司趋之若鹜的新技术,3D打印在火箭制造的轻量化、低成本上显然有着不可替代的优势

蓝色起源可重复使用的大型火箭,视频来自“天文在线”

世界首富杰夫·贝索斯

3D打印火箭零件

蓝色起源在3D打印方面进行了大量投资,充分采用新技术进行可行性尝试,仅新谢泼德太空船上就有超过400个增材制造的零件。而其新一代液氧甲烷火箭发动机BE-4,更是有很多关键部件采用3D打印制造,如发动机增压泵(OBP)外壳采用铝合金打印,内部集成了传统方法难以加工的复杂流道。液压涡轮采用镍基合金打印,仅需要最少的加工即可达到所需的配合,类似的还有涡轮喷嘴和转子也是如此。

 
BE-4 3D打印OBP增压泵及其他部分增材产品

“杀手锏”——BE-4发动机

众所周知,大型运载火箭的关键部件是发动机,要知道贝佐斯也是凭借蓝色起源的”杀手锏“——BE-4火箭发动机的成功研发才得以圆梦太空。据悉,这款发动机的海平面推力可达到惊人的250吨,大于航天飞机的主发动机的推力190吨。

贝佐斯谈到发展BE-4发动机的理念时说:“从原理上来说,航天飞机的火箭发动机很简单,但实际上却非常复杂。因此,蓝色起源公司希望研制一种不太复杂、不需要使用昂贵材料的发动机。它不是一件突破工程极限的理想化作品,而是一种能够反复使用的可靠机器。”

 
△BE-4火箭发动机,使用了一批金属3D打印零件


早在2012年,蓝色起源公司便开始自行研发BE-4发动机。2014年,美国的火箭发射承包商“联合发射联盟”(UnitedLaunchAlliance),决定其下一代“火神”(Vulcan)火箭,将首选使用两台BE-4发动机,来替代过去使用的俄罗斯RD-180发动机。RD-180是一款高性能发动机,能够在极高温度和极高压力下工作的煤油液氧煤油发动机。对于火箭发动机而言,能耐受更高的压力将有更好的性能,但也意味着研发周期更长、成本更高。

贝佐斯认为:“我们的策略是,选择高性能架构的中等性能版本。RD-180是高性能架构的高性能版本。这增加了研发难度,使一切都复杂化。哪怕压力低一些,仍然能够创造强大的性能。”BE-4发动机的价格将比RD-180发动机低三到四成,BE-4发动机更加耐用,并可以重复使用,而RD-180发动机由于极高的压力和温度,常造成的零部件故障而只能使用一次。BE-4和AR1发动机,都将使用RD-180发动机采用的分级燃烧循环,比起当前其他美国液烃火箭发动机的循环方式来说,这是一种更高效的循环方式。由于BE-4发动机将使用增材制造的方法来建造,其重量更轻,将更具可生产性,成本更低。

登月计划

当然,太空漂流绝不是贝索斯逐梦的终点,这仅是他心中太空伟业的冰山一角。据了解,蓝色起源已经在尝试开发更先进火箭发动机,运载火箭和太空舱,准备将航天员带入下一个太空前沿——登月,并且是以更低廉,更可靠的技术实现目标。

△蓝色起源将与NASA一起开展下一步重返月球计划。图片由Blue Origin提供


作为美国国家航空航天局(NASA)颁发的阿耳弥斯(Artemis)月球探测计划人类登陆系统(HLS)奖的一部分,蓝色起源号(Blue Origin)制造了一个三阶段着陆器,到2024年,第一名女性和第二名男子将登月。

Blue Origin公司的月球着陆器系统将由增材制造的高性能BE-7发动机(BE系列新一代发动机)提供动力,工程师也已经开始进行点火测试。2020年12月4日,在阿拉巴马州汉斯维尔的NASA马歇尔太空飞行中心,Blue Origin对自主研发的高效发动机展开第四次推力舱测试,累计测试时间达到1,245秒,进一步证明了其降落月球的能力。

△BE-7是Blue Origin的3D打印,高性能,双膨胀机循环发动机。图片由Blue Origin提供


增材技术优势

贝索斯在将传统铸造方法制作的零件与3D打印零件进行比较时,阐明了蓝色起源3D打印技术的优势,传统方法需要一年才能完成的工作,3D打印仅花了3个月时间,3D打印为蓝色起源带来“开发时间的重大进步”。

△蓝色起源的动力火箭


结束语

贝索斯还曾披露了蓝色起源公司另外一个正在研究的未来的火箭项目——“新阿姆斯特朗”(NewArmstrong)火箭。从名字上看,“新阿姆斯特朗”火箭将可能和月球或更远的深空有关。


贝索斯用美国的航天先驱来命名他研制的运载火箭,表达了他对太空探索的强烈向往。贝佐斯的太空梦,和马斯克既有相同之处,也有所不同。马斯克志在太空殖民,让人类文明遍及多个行星。贝佐斯却认为地球是最适合人类居住的星球,开发太空是为了让地球更适合人类居住。由于理念的差异,让他们创业之路也有差别,马斯克偏于激进,贝佐斯偏于稳重。正由于美国航天创业文化的多元化,让美国的商业航天走在世界的前列。

中国民营航天公司,如星际荣耀、蓝箭航天、零壹空间、星河动力等,也正在快速发展;其中不少公司也采用金属3D打印技术来生产制造火箭发动机零件。如果未来哪一家公司真正实现商业化的民营航天业务,3D打印技术是必不可少的制造工艺,而且比重会越来越大,将会强力拉动3D打印在航天领域的应用市场。