為獲得更強(qiáng)推力，Sierra Space航天發(fā)動機(jī)采用Agile Space 3D打印技術(shù)

2023年11月23日，南極熊獲悉，航天推進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新者Agile Space Industries與商業(yè)航天公司Sierra Space合作，共同打造了有史以來最大的航空雙組分聯(lián)合推進(jìn)肼發(fā)動機(jī)VRM5500-H。該項(xiàng)目的一個關(guān)鍵點(diǎn)是廣泛應(yīng)用3D打印技術(shù)在其構(gòu)建過程中。值得注意的是，作為該發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，AX19預(yù)燃室和推力室均完全采用3D打印技術(shù)構(gòu)建。

△測試中的VRM5500-H發(fā)動機(jī)

在此次合作中，Agile扮演了關(guān)鍵的角色，負(fù)責(zé)為Sierra Space的VRM5500-H發(fā)動機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、測試，并在短短19周內(nèi)完成了交付AX19預(yù)燃器的任務(wù)。這一迅速的發(fā)展突顯了3D打印技術(shù)在太空工程中的深刻影響。此外，預(yù)燃器的設(shè)計(jì)著重保障了在寬油門范圍內(nèi)高效燃燒和穩(wěn)定性。在整合到發(fā)動機(jī)的其余部分之前，該預(yù)燃器在獨(dú)立配置中進(jìn)行了多次熱火演示。

AX19采用的單組元推進(jìn)劑肼無需氧化劑即可燃燒，這為創(chuàng)造富含燃料的預(yù)燃器提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。與煤油、甲烷或氫氣發(fā)動機(jī)不同，肼不容許進(jìn)行部分燃燒。通常情況下，單組元推進(jìn)劑的燃燒需要大量專用催化劑來維持穩(wěn)定，這是一個昂貴而資源密集的過程。公司工程師通過巧妙的設(shè)計(jì)，最大限度地減少了催化劑的使用，同時(shí)保持了燃燒的穩(wěn)定性。

首先，在催化劑反應(yīng)器中分解部分肼，產(chǎn)生熱混合物，包括氨、氮?dú)夂蜌錃猓瑸橹魅紵�室提供原料。然后，系統(tǒng)將室內(nèi)剩余的聯(lián)氨和少量氧化劑充分燃燒。這一創(chuàng)新方法有效地實(shí)現(xiàn)了肼的熱分解，從而提高了預(yù)燃器的性能。

Agile首席執(zhí)行官Chris Pearson表示：“在實(shí)際操作中，時(shí)間非常有限，尤其要考慮到這是首次在公開記錄中成功開發(fā)并應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的高流量富含聯(lián)氨的預(yù)燃器。設(shè)計(jì)原型展示了在6:1油門范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的運(yùn)行和高燃燒效率。”

△2021年，Agile收購3D打印部件供應(yīng)商Tronix3D

測試和影響

在預(yù)燃器完成開發(fā)后，于2022年10月在科羅拉多州杜蘭戈市的Agile Animas測試臺成功進(jìn)行了獨(dú)立測試。經(jīng)過這些測試，Agile Space將預(yù)燃器交付給Sierra Space進(jìn)行進(jìn)一步評估。然后，在2023年，VRM5500-H發(fā)動機(jī)在阿拉巴馬州亨茨維爾紅石兵工廠的美國陸軍DEVCOM（作戰(zhàn)能力開發(fā)司令部）試驗(yàn)臺進(jìn)行了測試。

Sierra Space表示，這種新型5500磅力自燃火箭發(fā)動機(jī)，在所有節(jié)流點(diǎn)都表現(xiàn)出高效、穩(wěn)定的燃燒，證實(shí)其已為各種太空應(yīng)用做好準(zhǔn)備。與此同時(shí)，AX19預(yù)燃器在2023年第一季度和第二季度作為獨(dú)立裝置與完整的VRM-5500H發(fā)動機(jī)一起成功運(yùn)行。這些覆蓋整個油門范圍的測試證實(shí)了預(yù)燃器的穩(wěn)定運(yùn)行以及預(yù)燃器的有效運(yùn)行。

該發(fā)動機(jī)有望成為該公司產(chǎn)品組合的突破性補(bǔ)充，在分級燃燒過程中使用純聯(lián)氨燃料和MON-3氧化劑（一種富氮氧化劑）。這意味著它分步燃燒燃料，首先在預(yù)燃器中為發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力，然后在發(fā)動機(jī)的主要部分中產(chǎn)生推力。

該公司表示，這種高效的燃料燃燒方式使發(fā)動機(jī)具有高性能，真空比沖超過339秒。這個比沖數(shù)很重要，因?yàn)樗�告訴我們發(fā)動機(jī)在太空中如何有效地使用燃料，而在太空中節(jié)省燃料至關(guān)重要。工程師還設(shè)計(jì)了連續(xù)節(jié)流閥，推力范圍從全功率時(shí)的5500磅力到900磅力，從而實(shí)現(xiàn)精確控制和機(jī)動性。

△Sierra Space的VRM5500-H發(fā)動機(jī)正在測試

高性能航天發(fā)動機(jī)的研發(fā)

Sierra Space首席執(zhí)行官Tom Vice表示：“這款高性能、可重復(fù)使用的雙組元推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)，代表了太空推進(jìn)技術(shù)的重大飛躍，為效率、可重復(fù)使用性和多功能性設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。該發(fā)動機(jī)專為太空應(yīng)用量身定制，其中可重復(fù)使用性、可存儲性、節(jié)流性和車輛重量減輕至關(guān)重要，使其成為著陸器、上部階段、運(yùn)輸車輛和長時(shí)間任務(wù)的絕佳選擇之一。

Sierra Space和Agile之間的合作充分利用了快速的設(shè)計(jì)到測試周期和先進(jìn)的3D打印技術(shù)，僅用了短短的九個多月就完成了發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和測試。根據(jù)公開記錄，這一努力標(biāo)志著開發(fā)人員在發(fā)動機(jī)中首次創(chuàng)建并使用富含肼的預(yù)燃器。

△Sierra Space的“追夢者”太空飛機(jī)效果圖

另外，VRM5500-H發(fā)動機(jī)開發(fā)的一個顯著亮點(diǎn)是廣泛應(yīng)用了3D打印技術(shù)。AX19預(yù)燃器的大部分是使用3D打印構(gòu)建的。此外，Sierra Space透露，它們使用常見的金屬3D打印機(jī)建造了發(fā)動機(jī)的推力室和預(yù)燃室。

這一重要的3D打印應(yīng)用不僅展示了當(dāng)前制造技術(shù)的能力，還凸顯了空間推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)一步創(chuàng)新的潛力。AX19預(yù)燃器的成功為未來太空任務(wù)中更高效、更具成本效益和快速開發(fā)的組件鋪平了道路，突顯了3D打印在太空技術(shù)中的變革潛力。