“內(nèi)衣外穿”的Aerospike小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)如何通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)？

澳大利亞Monash大學(xué)的Amaero項(xiàng)目成員、預(yù)備博士生Marten Jurg表示，增材制造帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由度可以有力的實(shí)現(xiàn)Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)所需的技術(shù)突破。 Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)是一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可在廣泛的高度范圍內(nèi)保持其空氣動(dòng)力學(xué)效率。 屬于高度補(bǔ)償噴嘴發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)。 具有Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭在低空下使用25-30％的燃料，其中大多數(shù)任務(wù)對(duì)于推力都是最大的需求。

圖片：Aerospike與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)區(qū)別

Aerospike排氣歧管的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的鐘形火箭基本上是相反的。當(dāng)前航天飛機(jī)上普遍采用的傳統(tǒng)鐘形火箭的推力是逐漸減少的，當(dāng)點(diǎn)火發(fā)射的時(shí)候效率最高，隨后當(dāng)火箭向上攀升的時(shí)候，推力開(kāi)始減弱。而Aerospike結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念可以保持火箭在離開(kāi)地面后的推力。

圖片：Aerospike噴嘴（右）與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的區(qū)別

Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研究了多年，是許多單級(jí)到軌道（SSTO）設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)引擎，也是航天飛機(jī)主機(jī)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。 最初XRS-2200 Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)是由波音的Rocketdyne推進(jìn)與動(dòng)力公司研制并裝配的。該發(fā)動(dòng)機(jī)將為X-33提供動(dòng)力。X-33是洛克希德馬丁公司建議的商業(yè)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭。然而，從1996年到NASA在2001年正式取消VentureStar計(jì)劃是Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)得到高度重視又趨于平淡的一段時(shí)期，當(dāng)NASA在2001年3月宣布該計(jì)劃正式宣告失效時(shí)，當(dāng)時(shí)NASA已經(jīng)花費(fèi)了近10億美元的資金，而洛克希德馬丁公司和其他合作伙伴則貢獻(xiàn)了3.57億美元。

Aerospike結(jié)構(gòu)通過(guò)傳統(tǒng)制造技術(shù)很難構(gòu)建，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以創(chuàng)造復(fù)雜的幾何形狀，包括機(jī)加工容易形成干涉的部位通過(guò)3D打印技術(shù)可以得到有效的解決。

Amaero團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始就圍繞增材制造設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了他們的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)。團(tuán)隊(duì)在使用Hastelloy X（一種高強(qiáng)度鎳基高溫合金）材料在EOS M280上進(jìn)行加工時(shí)，關(guān)于構(gòu)建腔體尺寸約束、零件尺寸、材料性能以及零件設(shè)計(jì)的角度、厚度和布局等關(guān)鍵參數(shù)均已考慮在內(nèi)，這些參數(shù)的設(shè)置是結(jié)合了該團(tuán)隊(duì)在使用選擇性激光熔融技術(shù)加工高溫合金方面多年的經(jīng)驗(yàn)。

Amaero團(tuán)隊(duì)借鑒哈氏合金的加工經(jīng)驗(yàn)，知道什么是可能和不可能的。通過(guò)與流體工程師的交流，Amaero團(tuán)隊(duì)能夠快速迭代并創(chuàng)建符合關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)的幾何和特征，同時(shí)仍然保持適用于增材制造的可建造性。整個(gè)設(shè)計(jì)的理念圍繞著價(jià)值實(shí)現(xiàn)來(lái)完成，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的三腔設(shè)計(jì)、截?cái)嗟臍馊�和冷卻配置。

其中隨形冷卻通道是Amaero的氣動(dòng)裝置的一個(gè)特殊設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上這是不可能制造的。包括隨形冷卻、噴射器歧管、消除高溫密封（通過(guò)使燃燒室成為單件）以及流體流動(dòng)路徑和控制機(jī)制都體現(xiàn)了增材制造特點(diǎn)。通過(guò)單獨(dú)的冷卻通道不斷改變尺寸和方向，以迎合特定的局部熱通量，這對(duì)于確保發(fā)動(dòng)機(jī)不出故障實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。采用傳統(tǒng)的制造方法，人們可能會(huì)將冷卻管路焊接在一起，但是由于渦管和管體的彎曲，管路必須連續(xù)變化寬度，這對(duì)于傳統(tǒng)制造方法來(lái)說(shuō)是非常困難的。

圖片：帶隨形冷卻的設(shè)計(jì)

由于Amaero的引擎原型只需要幾個(gè)月的時(shí)間就可以完成，所以Amaero團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)從根本上重新思考其設(shè)計(jì)方法。為此，他們創(chuàng)建了計(jì)算工具，使他們能夠快速迭代設(shè)計(jì)的基本方面，并快速融合到新設(shè)計(jì)解決方案中。 通過(guò)并行設(shè)計(jì)方法和一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以大大縮短設(shè)計(jì)迭代時(shí)間，同時(shí)提高產(chǎn)品的整體性能。

創(chuàng)建了Amaero的aerospike引擎的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)組建了一個(gè)名為NextAero的新的合資企業(yè)來(lái)推進(jìn)這項(xiàng)工作，關(guān)注未來(lái)在推進(jìn)技術(shù)上的應(yīng)用。與此同時(shí)，Jurg表示，Amaero正在使用其Aerospike“向那些不了解該過(guò)程的人展示增材制造的潛力，以及如何通過(guò)與AM設(shè)計(jì)師合作來(lái)構(gòu)建具有更高性能水平的產(chǎn)品”。

值得一提的是，就在上周，當(dāng)初Amaero項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人澳大利亞工程院院士吳鑫華正式入聘上海理工大學(xué)。吳院士與澳大利亞科學(xué)院、工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士余艾冰，美國(guó)科學(xué)院院士Rodney R. Boyer，美國(guó)工程院院士 James C. Williams 接受了上海理工大學(xué)的聘任，分別擔(dān)任上海理工大學(xué)的“增材制造國(guó)際實(shí)驗(yàn)室”主任和方向帶頭人。

當(dāng)然，并不意味著VentureStar計(jì)劃就此可以復(fù)興，概念原型與真實(shí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸之間還存在很大的區(qū)別。不過(guò)隨著增材制造走向大尺寸加工，或許VentureStar計(jì)劃復(fù)興的這一天會(huì)到來(lái)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，莫納什大學(xué)在航空航天增材制造領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗(yàn)積累，其科研團(tuán)隊(duì)和大學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司Amaero團(tuán)隊(duì)，曾與法國(guó)宇航企業(yè)賽峰集團(tuán)合作，開(kāi)發(fā)了兩臺(tái)3D打印的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，目前該發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化階段。

除了在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造方面的研究，莫納什大學(xué)和Amaero團(tuán)隊(duì)還與Betatype合作，通過(guò)Betatype點(diǎn)陣建模軟件平臺(tái)Engine-Platform 開(kāi)發(fā)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化零件。

圖片：通過(guò)EOS M280 打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化零件概念原型，圖片來(lái)源：Betatype

在這個(gè)研究項(xiàng)目的最后一年，莫納什大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列體現(xiàn)3D打印特點(diǎn)的概念性火箭零件，其中一個(gè)零件是火箭壁內(nèi)的帶有隨形冷卻夾芯結(jié)構(gòu)的輕量化零件。

由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，莫納什大學(xué)團(tuán)隊(duì)自己開(kāi)發(fā)了腳本指定零件中的微格結(jié)構(gòu)，通過(guò)Engine-Platform軟件中開(kāi)放的 Arch格式，研究團(tuán)隊(duì)能夠避免因創(chuàng)建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。軟件中抽象的算法，大大降低了CAD模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

在設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)零件的功能實(shí)現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結(jié)構(gòu)零件由基本結(jié)構(gòu)、外形結(jié)構(gòu)及超輕結(jié)構(gòu)合成，在這個(gè)過(guò)程中，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)能力的水平。

在國(guó)內(nèi)外的金屬3D打印企業(yè)中，英國(guó)雷尼紹、西安鉑力特等金屬3D打印企業(yè)也針對(duì)增材制造輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量探索，例如，鉑力特針對(duì)中空夾層、薄壁加筋，鏤空點(diǎn)陣，功能集成的一體化這四種典型的輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，通過(guò)輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和金屬3D打印設(shè)備為航空航天、汽車(chē)等機(jī)械輕量化零件的制造提供解決方案。在設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域，Altair的solidThinking Inspire 拓?fù)鋬?yōu)化軟件在設(shè)計(jì)輕量化3D打印零部件領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。

來(lái)源：3D科學(xué)谷