3D打印助力未來的發射系統必須是可重復使用的…

BERTA燃燒室演示器。來源：ESA

從小型到大型實現技術傳遞

    2019年2月18日，歐洲航天局（ESA）測試了帶3D打印燃燒室的BERTA火箭發動機，其參考升力為2.45 kN（550.78 lbf）。

BERTA燃燒室演示器點火測試。來源：ESA

BERTA被視為3D打印用于更大的發動機的ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID為擴展循環技術集成演示器）。

BERTA燃燒室演示器。來源：ESA

      ETID是下一代10噸火箭發動機的先驅技術載體，其中一些技術也可用于升級現有的Vinci發動機，Vinci發動機為阿麗亞娜6提供動力。通過首次測試被ESA視為增材制造火箭發動機零件的重要一步。用于下一代運載火箭的100噸級火箭發動機Prometheus（普羅米修斯）也將受益于BERTA的測試過程中，并獲得技術傳承，例如增材制造復雜零件以及實現低成本燃燒室的制造技術。

      該燃燒室由Ariane集團開發，作為ESA未來發射器預備計劃（FLPP）項目的一部分，由Ariane集團開發的BERTA發動機設計用于“可儲存的推進劑”，這意味著燃料可以在室溫下儲存。這種類型的發動機可以點燃幾次并且非常可靠。它們可用于地球軌道以外的任務，并持續數月。據中國3D打印網了解，在下一代火箭開發中，NASA與SpaceX的合作關系越來越緊密。美國在火箭發射領域的突飛猛進，或許讓歐洲的空間發射行業頗感壓力。Ariane集團于2017年獲得了歐洲航天局（ESA）的支持，總預算超8千萬歐元用于Ariane新一代液氧-甲烷火箭發動機 — Prometheus 。

        Prometheus是Ariane集團與CNES于2015年發起的一項用于繼Ariane 6之后的新一代火箭發動機，該發動機的設計特點是低成本，目標是將火箭發動機的制造成本至少降低10倍，并且可重復使用。根據北京航空航天大學，目前液體火箭發動機的循環系統主要分為開式循環和閉式循環梁洪。開式循環發動機設計制造成本低，但性能不高。閉式循環系統推進劑可以得到充分利用，發動機性能高，其中低溫推進劑火箭發動機具有低難度，高性能，高可靠性，重復使用性強和多起啟動性能好的優點。

    低溫推進劑火箭發動機主要是指氫氧火箭發動機，例如Vinci發動機，使用低溫氫（LH2：– 負253°C下的液態氫）作為燃料，低溫氧（LOX – 零下180°下的液態氧）作為氧化劑。首先，燃料在燃燒室周圍流動，冷卻并蒸發。由該方法產生的氣體用于驅動渦輪泵，氧化劑和燃料進入燃燒室，在那里它們與另外的氧化劑一起燃燒。

     增材制造發揮的作用是制造復雜設計的冷卻通道。傳統的制造方法無法一體化的制造如此復雜的通道，通過3D打印冷卻腔室帶有復雜冷卻通道的壁。使得發動機的性能獲得提升。BERTA發動機采用的是選擇性激光熔化（SLM）金屬3D打印技術，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在全球市場上面臨的競爭越來越激烈，競爭加劇控制成本的壓力，Ariane 6號是對這種競爭壓力的積極應對，因為其發射費用約為Ariane 5號的一半。

3D打印的價值在于賦能制造業附加值創造”，3D打印附加值創造的能量正在獲得驗證。而隨著先行者占領3D打印賦能價值創造的勢能高地，產業鏈上將傳遞更多對制造業附加值的追逐。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制造航空發動機的方式。

      3D打印不僅僅在推動下一代航空飛機的發展，也在對航天領域的制造技術發生催化劑的作用，根據Relativity Space，他們可以將火箭零件數從十萬減少到一千個，并大大減少了數量級的勞動時間。這將對火箭的交付時間、產品迭代速度和成本產生影響。3D打印助力未來的發射系統必須是可重復使用的。而我們已經可以清晰的看到，3D打印低成本可重復利用的下一代火箭發動機已經引爆新一輪NASA與ESA競賽。