金屬3D打印助力“藍(lán)色起源”火箭發(fā)動機(jī)，成就貝索斯太空夢

北京時間7月20日晚21點(diǎn)10分，在美國德克薩斯州范霍恩附近的藍(lán)色起源一號發(fā)射場，新謝巴德號火箭順利點(diǎn)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(dá)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(lán)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(lán)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(lán)色起源實(shí)現(xiàn)“新謝潑德”火箭發(fā)射和回收，隨后又實(shí)現(xiàn)火箭的重復(fù)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(shí)力。它只是不為人知，和“炸機(jī)狂人“馬斯克比起來，貝索斯要低調(diào)的多。此外，藍(lán)色起源在他們的火箭發(fā)動機(jī)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(lán)色起源可重復(fù)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(lán)色起源在3D打印方面進(jìn)行了大量投資，充分采用新技術(shù)進(jìn)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(jī)BE-4，更是有很多關(guān)鍵部件采用3D打印制造，如發(fā)動機(jī)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(fù)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(dá)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(jī)

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

貝佐斯談到發(fā)展BE-4發(fā)動機(jī)的理念時說：“從原理上來說，航天飛機(jī)的火箭發(fā)動機(jī)很簡單，但實(shí)際上卻非常復(fù)雜。因此，藍(lán)色起源公司希望研制一種不太復(fù)雜、不需要使用昂貴材料的發(fā)動機(jī)。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(fù)使用的可靠機(jī)器�！�

△BE-4火箭發(fā)動機(jī)，使用了一批金屬3D打印零件

早在2012年，藍(lán)色起源公司便開始自行研發(fā)BE-4發(fā)動機(jī)。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(jī)，來替代過去使用的俄羅斯RD-180發(fā)動機(jī)。RD-180是一款高性能發(fā)動機(jī)，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(jī)。對于火箭發(fā)動機(jī)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(rèn)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(fù)雜化。哪怕壓力低一些，仍然能夠創(chuàng)造強(qiáng)大的性能。”BE-4發(fā)動機(jī)的價格將比RD-180發(fā)動機(jī)低三到四成，BE-4發(fā)動機(jī)更加耐用，并可以重復(fù)使用，而RD-180發(fā)動機(jī)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(jī)，都將使用RD-180發(fā)動機(jī)采用的分級燃燒循環(huán)，比起當(dāng)前其他美國液烴火箭發(fā)動機(jī)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(jī)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(dāng)然，太空漂流絕不是貝索斯逐夢的終點(diǎn)，這僅是他心中太空偉業(yè)的冰山一角。據(jù)了解，藍(lán)色起源已經(jīng)在嘗試開發(fā)更先進(jìn)火箭發(fā)動機(jī)，運(yùn)載火箭和太空艙，準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

△藍(lán)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(lán)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(jī)（BE系列新一代發(fā)動機(jī)）提供動力，工程師也已經(jīng)開始進(jìn)行點(diǎn)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(jī)展開第四次推力艙測試，累計測試時間達(dá)到1,245秒，進(jìn)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(jī)循環(huán)發(fā)動機(jī)。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(jìn)行比較時，闡明了藍(lán)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(lán)色起源帶來“開發(fā)時間的重大進(jìn)步”。

△藍(lán)色起源的動力火箭

結(jié)束語

貝索斯還曾披露了藍(lán)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(yuǎn)的深空有關(guān)。

貝索斯用美國的航天先驅(qū)來命名他研制的運(yùn)載火箭，表達(dá)了他對太空探索的強(qiáng)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(rèn)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(jìn)，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(lán)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(jī)零件。如果未來哪一家公司真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的民營航天業(yè)務(wù)，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(qiáng)力拉動3D打印在航天領(lǐng)域的應(yīng)用市場。

參考閱讀：

1、增材制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)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(lán)色起源號：月球著陸器的3D打印發(fā)動機(jī)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