Rocket Lab：將重新發(fā)射已回收的3D打印發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)火箭的可重復(fù)使用！

"There and Back Again" 是由新西蘭航天公司Rocket Lab發(fā)起的一個(gè)計(jì)劃，旨在將火箭送入太空并將其返回地球以進(jìn)行再利用。這個(gè)計(jì)劃包括Rocket Lab的Electron火箭，這是一種小型、輕量級(jí)的運(yùn)載火箭，用于將小型衛(wèi)星送入軌道。通過(guò)"There and Back Again"計(jì)劃，Rocket Lab希望能夠?qū)崿F(xiàn)Electron火箭的回收，以便減少太空垃圾和成本，并為日后的太空任務(wù)提供更多可重復(fù)使用的資源。



作為  "There and Back Again" 這個(gè)計(jì)劃的一部分， Rocket Lab將發(fā)射經(jīng)過(guò)回收的3D打印Rutherford(盧瑟福)發(fā)動(dòng)機(jī)(該發(fā)動(dòng)機(jī)之前于2022 年5月發(fā)射)。在經(jīng)過(guò)了大量的資格和驗(yàn)收測(cè)試，包括多次全功率運(yùn)行測(cè)試，回收的發(fā)動(dòng)機(jī)在這些測(cè)試中表現(xiàn)的很好，并與新的發(fā)動(dòng)機(jī)保持同等的性能水平，這證明了回收的發(fā)動(dòng)機(jī)可以重新飛行。Rocket Lab 的推進(jìn)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正著手準(zhǔn)備此款發(fā)動(dòng)機(jī)的重新飛行，計(jì)劃于2023年第三季度升空。


△Rocket Lab的Electron運(yùn)載火箭從 Launch Complex 1 升空，然后返回地球進(jìn)行海洋著陸和回收。

Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)由 Rocket Lab 設(shè)計(jì)和制造，是世界上第一臺(tái) 3D 打印和電動(dòng)泵送軌道火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。自 Rocket Lab 于 2017 年發(fā)射第一顆 Electron（兩級(jí)、部分可重復(fù)使用的小型火箭）以來(lái)，已有 350 臺(tái)Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)被送入太空，使其成為美國(guó)最可靠、飛行頻率最高的軌道火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

增材制造在Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的優(yōu)勢(shì)
●據(jù)該公司稱，Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)得益于增材制造的主要部件，如燃燒室、噴射器、泵和主推進(jìn)劑閥門。這些部件可以在 24 小時(shí)內(nèi)打印出來(lái)，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，大大縮短了生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)能夠進(jìn)行快速迭代設(shè)計(jì)、降低制造成本和提高性能的能力。

●3D 打印Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)之一是它能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的推重比和更高的燃油效率，這有助于提高火箭實(shí)驗(yàn)室火箭的整體性能。此外，這位新西蘭企業(yè)家強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新和新技術(shù)在推動(dòng)航天工業(yè)發(fā)展和成功方面的作用，他認(rèn)為 3D 打印是這一趨勢(shì)的重要組成部分。

●Rocket Lab 與多家 3D 打印公司合作生產(chǎn)火箭部件，其中包括Carpenter Technology的金屬粉末，EOS為Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī) 3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和噴嘴。依靠SLM Solutions的選擇性激光熔化 (SLM) 機(jī)器來(lái) 3D 打印各種小部件，包括閥體、支架和配件，以及 Renishaw的直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 平臺(tái)來(lái) 3D 打印Rutherford噴油器。

Rocket Lab 與這些 3D 打印公司的合作伙伴關(guān)系使他們能夠獲得最新、最先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)。


△Electron火箭被回收，Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好。

Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)用于Electron運(yùn)載火箭的第一級(jí)和第二級(jí)，第一級(jí)有九臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)有一臺(tái)真空優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)。重新飛行該發(fā)動(dòng)機(jī)是 Rocket Lab 恢復(fù)硬件計(jì)劃的最新里程碑。Rocket Lab 一直在迭代開(kāi)發(fā)和并行測(cè)試兩種重用方法：

●一個(gè)是海上回收，Electron 的第一級(jí)在降落傘下返回地球，以進(jìn)行軟海洋濺落和乘船回收。

●另一種方法是半空中回收，其中 Electron 的第一級(jí)在降落傘下返回地球時(shí)由一架專用直升機(jī)在空中接住。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，Electron 可以承受海洋飛濺，工程師希望未來(lái)的完整級(jí)能夠通過(guò)重新飛行的資格和驗(yàn)收測(cè)試，并進(jìn)行最少的翻新。

因此，Rocket Lab 正在推進(jìn)海上作業(yè)，將其作為回收Electron以重新飛行的主要方法。預(yù)計(jì)這將使適合回收的 Electron 任務(wù)數(shù)量從大約 50% 增加到 60% - 70% 之間。


△Electron火箭被回收，Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好。

小型火箭的可重復(fù)使用性極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儧](méi)有大型火箭實(shí)現(xiàn)推進(jìn)著陸所需的燃料余量。然而，盡管存在這一重大技術(shù)障礙，Rocket Lab一直堅(jiān)持可重復(fù)使用計(jì)劃，并證明可以將小型火箭帶回家并像新發(fā)動(dòng)機(jī)一樣運(yùn)行。


△Electron火箭被回收，Rutherford發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好。

火箭可重用性的意義
從降低成本到節(jié)約資源，可重用性已成為航天工業(yè)中越來(lái)越重要的概念。傳統(tǒng)上，太空任務(wù)發(fā)射一次性火箭。然而，技術(shù)進(jìn)步使設(shè)計(jì)和制造可多次重復(fù)使用的航天器和火箭成為可能。此外，考慮到空間碎片如何成為地球軌道上日益嚴(yán)重的問(wèn)題，通過(guò)重復(fù)使用組件和資源，Rocket Lab 可以幫助減少地球外任務(wù)產(chǎn)生的空間碎片數(shù)量，從而減少對(duì)環(huán)境的影響。今天學(xué)習(xí)再利用資產(chǎn)將有助于未來(lái)的太空任務(wù)節(jié)約資源，尤其是考慮到太空中的資源是多么有限。隨著人們對(duì)太空探索和商業(yè)化興趣的增加，可重用性很可能在未來(lái)的太空生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
Rocket Lab
Rocket Lab是一家新興的航天公司，成立于2013年，總部位于美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯。其主要業(yè)務(wù)是開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)小型火箭系統(tǒng)，以將小型衛(wèi)星送入軌道。Rocket Lab的火箭命名為“Electron”號(hào)，它是一款可重復(fù)使用的兩階段液體燃料火箭，能夠?qū)⒆疃?50公斤的有效載荷送入低地球軌道。Rocket Lab 的特點(diǎn)是快速、靈活、低成本和高可靠性。

該公司利用了現(xiàn)代化的生產(chǎn)和測(cè)試技術(shù)，將火箭制造和組裝時(shí)間大大縮短，同時(shí)采用自有的發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行火箭發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了高度的靈活性和響應(yīng)速度。此外，Rocket Lab 還采用了先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，確保了火箭的高可靠性。截至目前，Rocket Lab已經(jīng)成功發(fā)射了多達(dá)17次的“Electron”號(hào)火箭，并將多個(gè)小型衛(wèi)星成功送入軌道。在商業(yè)領(lǐng)域，Rocket Lab主要的客戶包括NASA、美國(guó)空軍、新西蘭空間署等。