金屬3D打印助力“藍色起源”火箭發(fā)動機，成就貝索斯太空夢

北京時間7月20日晚21點10分，在美國德克薩斯州范霍恩附近的藍色起源一號發(fā)射場，新謝巴德號火箭順利點火升空。

貝索斯和他的弟弟馬克·貝索斯、82歲的女飛行員沃利·芬克、18歲的荷蘭少年奧利弗·達曼一同乘坐火箭，飛躍了卡門線，在距離地球100公里的太空邊界處，環(huán)繞11分鐘后返回，并順利著陸。這意味著，貝索斯的藍色起源首次載人太空之旅，取得成功。

△貝索斯的“太空漂流之旅”，視頻來自“天文在線”

藍色起源(Blue Origin)是亞馬遜CEO杰夫·貝索斯旗下的一家商業(yè)太空公司，2000年成立。2015年11 月，藍色起源實現(xiàn)“新謝潑德”火箭發(fā)射和回收，隨后又實現(xiàn)火箭的重復發(fā)射，該公司還是獲得NASA資助的4家公司之一，由此可見這家公司的實力。它只是不為人知，和“炸機狂人“馬斯克比起來，貝索斯要低調(diào)的多。此外，藍色起源在他們的火箭發(fā)動機零部件中大量選擇了增材制造技術(shù)來生產(chǎn)，作為大多數(shù)國際商業(yè)航空公司趨之若鶩的新技術(shù)，3D打印在火箭制造的輕量化、低成本上顯然有著不可替代的優(yōu)勢。

△藍色起源可重復使用的大型火箭，視頻來自“天文在線”

△世界首富杰夫·貝索斯

3D打印火箭零件

南極熊了解到，藍色起源在3D打印方面進行了大量投資，充分采用新技術(shù)進行可行性嘗試，僅新謝潑德太空船上就有超過400個增材制造的零件。而其新一代液氧甲烷火箭發(fā)動機BE-4，更是有很多關鍵部件采用3D打印制造，如發(fā)動機增壓泵（OBP）外殼采用鋁合金打印，內(nèi)部集成了傳統(tǒng)方法難以加工的復雜流道。液壓渦輪采用鎳基合金打印，僅需要最少的加工即可達到所需的配合，類似的還有渦輪噴嘴和轉(zhuǎn)子也是如此。

△BE-4 3D打印OBP增壓泵及其他部分增材產(chǎn)品

“殺手锏”——BE-4發(fā)動機

眾所周知，大型運載火箭的關鍵部件是發(fā)動機，要知道貝佐斯也是憑借藍色起源的”殺手锏“——BE-4火箭發(fā)動機的成功研發(fā)才得以圓夢太空。據(jù)悉，這款發(fā)動機的海平面推力可達到驚人的250噸，大于航天飛機的主發(fā)動機的推力190噸。

貝佐斯談到發(fā)展BE-4發(fā)動機的理念時說：“從原理上來說，航天飛機的火箭發(fā)動機很簡單，但實際上卻非常復雜。因此，藍色起源公司希望研制一種不太復雜、不需要使用昂貴材料的發(fā)動機。它不是一件突破工程極限的理想化作品，而是一種能夠反復使用的可靠機器。”

△BE-4火箭發(fā)動機，使用了一批金屬3D打印零件

早在2012年，藍色起源公司便開始自行研發(fā)BE-4發(fā)動機。2014年，美國的火箭發(fā)射承包商“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟”（UnitedLaunchAlliance），決定其下一代“火神”（Vulcan）火箭，將首選使用兩臺BE-4發(fā)動機，來替代過去使用的俄羅斯RD-180發(fā)動機。RD-180是一款高性能發(fā)動機，能夠在極高溫度和極高壓力下工作的煤油液氧煤油發(fā)動機。對于火箭發(fā)動機而言，能耐受更高的壓力將有更好的性能，但也意味著研發(fā)周期更長、成本更高。

貝佐斯認為：“我們的策略是，選擇高性能架構(gòu)的中等性能版本。RD-180是高性能架構(gòu)的高性能版本。這增加了研發(fā)難度，使一切都復雜化。哪怕壓力低一些，仍然能夠創(chuàng)造強大的性能�！盉E-4發(fā)動機的價格將比RD-180發(fā)動機低三到四成，BE-4發(fā)動機更加耐用，并可以重復使用，而RD-180發(fā)動機由于極高的壓力和溫度，常造成的零部件故障而只能使用一次。BE-4和AR1發(fā)動機，都將使用RD-180發(fā)動機采用的分級燃燒循環(huán)，比起當前其他美國液烴火箭發(fā)動機的循環(huán)方式來說，這是一種更高效的循環(huán)方式。由于BE-4發(fā)動機將使用增材制造的方法來建造，其重量更輕，將更具可生產(chǎn)性，成本更低。

登月計劃

當然，太空漂流絕不是貝索斯逐夢的終點，這僅是他心中太空偉業(yè)的冰山一角。據(jù)了解，藍色起源已經(jīng)在嘗試開發(fā)更先進火箭發(fā)動機，運載火箭和太空艙，準備將航天員帶入下一個太空前沿——登月，并且是以更低廉，更可靠的技術(shù)實現(xiàn)目標。

△藍色起源將與NASA一起開展下一步重返月球計劃。圖片由Blue Origin提供

作為美國國家航空航天局（NASA）頒發(fā)的阿耳彌斯（Artemis）月球探測計劃人類登陸系統(tǒng)（HLS）獎的一部分，藍色起源號（Blue Origin）制造了一個三階段著陸器，到2024年，第一名女性和第二名男子將登月。

Blue Origin公司的月球著陸器系統(tǒng)將由增材制造的高性能BE-7發(fā)動機（BE系列新一代發(fā)動機）提供動力，工程師也已經(jīng)開始進行點火測試。2020年12月4日，在阿拉巴馬州漢斯維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心，Blue Origin對自主研發(fā)的高效發(fā)動機展開第四次推力艙測試，累計測試時間達到1,245秒，進一步證明了其降落月球的能力。

△BE-7是Blue Origin的3D打印，高性能，雙膨脹機循環(huán)發(fā)動機。圖片由Blue Origin提供

增材技術(shù)優(yōu)勢

貝索斯在將傳統(tǒng)鑄造方法制作的零件與3D打印零件進行比較時，闡明了藍色起源3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，傳統(tǒng)方法需要一年才能完成的工作，3D打印僅花了3個月時間，3D打印為藍色起源帶來“開發(fā)時間的重大進步”。

△藍色起源的動力火箭

結(jié)束語

貝索斯還曾披露了藍色起源公司另外一個正在研究的未來的火箭項目——“新阿姆斯特朗”(NewArmstrong)火箭。從名字上看，“新阿姆斯特朗”火箭將可能和月球或更遠的深空有關。

貝索斯用美國的航天先驅(qū)來命名他研制的運載火箭，表達了他對太空探索的強烈向往。貝佐斯的太空夢，和馬斯克既有相同之處，也有所不同。馬斯克志在太空殖民，讓人類文明遍及多個行星。貝佐斯卻認為地球是最適合人類居住的星球，開發(fā)太空是為了讓地球更適合人類居住。由于理念的差異，讓他們創(chuàng)業(yè)之路也有差別，馬斯克偏于激進，貝佐斯偏于穩(wěn)重。正由于美國航天創(chuàng)業(yè)文化的多元化，讓美國的商業(yè)航天走在世界的前列。

南極熊3D打印網(wǎng)看到，中國民營航天公司，如星際榮耀、藍箭航天、零壹空間、星河動力等，也正在快速發(fā)展；其中不少公司也采用金屬3D打印技術(shù)來生產(chǎn)制造火箭發(fā)動機零件。如果未來哪一家公司真正實現(xiàn)商業(yè)化的民營航天業(yè)務，3D打印技術(shù)是必不可少的制造工藝，而且比重會越來越大，將會強力拉動3D打印在航天領域的應用市場。

參考閱讀：

1、增材制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動機應用述評

2、貝索斯逐夢太空 與馬斯克的星球大戰(zhàn)正式打響

3、藍色起源號：月球著陸器的3D打印發(fā)動機將第一個女人送上月球

4、國際商業(yè)航空公司如何使用3D打印開拓創(chuàng)新