3D打印Aerospike發(fā)動(dòng)機(jī)在MIRA II太空飛機(jī)上完成測試

2024年12月15日，南極熊獲悉，德國航空航天初創(chuàng)公司POLARIS Spaceplanes已成功完成氣動(dòng)尖峰驅(qū)動(dòng)的 MIRA II 演示機(jī)的滾動(dòng)和飛行測試。這架五​​米長的原型機(jī)采用 POLARIS 的 3D 打印 AS-1 線性氣動(dòng)尖峰火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。MIRA II 是全尺寸 AURORA 太空飛機(jī)的墊腳石，飛機(jī)將于 2028 年開始飛行運(yùn)營。  

MIRA II 是在最初的 MIRA 演示機(jī)于 2024 年 5 月首次飛行嘗試中墜毀后開發(fā)的。此后，新系統(tǒng)在跑道上完成了三秒鐘的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，然后在波羅的海上空成功進(jìn)行了飛行測試。

無人駕駛演示機(jī)使用四臺(tái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)從佩內(nèi)明德機(jī)場起飛。到達(dá)點(diǎn)火點(diǎn)后，MIRA II 完成了 1 kN LOX/煤油 AS-1 氣動(dòng)尖峰發(fā)動(dòng)機(jī)的三秒燃燒，實(shí)現(xiàn)了 4 m/s² 的加速度和 900 牛頓的推力。

這是線性氣動(dòng)尖峰發(fā)動(dòng)機(jī)的首次飛行測試，對(duì)于這家位于Bremen的初創(chuàng)企業(yè)來說是一個(gè)重要的里程碑。

△POLARIS Spaceplanes 未來氣動(dòng)推進(jìn)器的數(shù)字渲染圖。圖片來自POLARIS Spaceplanes。

3D 打印為 POLARIS 的氣動(dòng)尖峰太空飛機(jī)提供動(dòng)力

與采用鐘形噴嘴的傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，Aerospike 發(fā)動(dòng)機(jī)采用楔形“尖刺”來控制廢氣。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)無需固定噴嘴，從而減輕了重量，提高了效率，并能夠在不同高度持續(xù)調(diào)整推力。

這些新型發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中會(huì)產(chǎn)生極端溫度，需要大量復(fù)雜而精密的冷卻管道。這種復(fù)雜性促使 POLARIS Spaceplanes 等氣動(dòng)尖峰式發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)商在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中利用增材制造技術(shù)。

去年，POLARIS公司從德國增材制造公司AM Global 獲得了兩臺(tái) 3D 打印的 AS-1 氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然這些初始發(fā)動(dòng)機(jī)用于地面測試，但 AM Global 還為 MIRA 演示機(jī) 3D 打印了兩臺(tái)更輕的飛行測試發(fā)動(dòng)機(jī)。   

在飛行三秒的燃燒過程中，MIRA II 的發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的燃燒室內(nèi)壓力下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)富燃料燃燒。據(jù)報(bào)道，這讓 POLARIS 的工程師能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)部件承受最小壓力的同時(shí)收集性能數(shù)據(jù)。MIRA II的機(jī)載攝像頭發(fā)現(xiàn) LOX 儲(chǔ)罐艙內(nèi)有一個(gè)小泄漏，導(dǎo)致檢修艙在三秒的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中丟失。盡管如此，公司報(bào)告聲稱演示機(jī)安全著陸，成功完成了試飛。

展望未來，POLARIS 將通過密集的飛行測試計(jì)劃進(jìn)一步測試和驗(yàn)證 3D 打印氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行運(yùn)行能力。

POLARIS 還將努力啟動(dòng)演示機(jī)的孿生發(fā)動(dòng)機(jī) MIRA III，以創(chuàng)造冗余并提高測試靈活性。隨著測試的進(jìn)展，該公司將逐步增加發(fā)動(dòng)機(jī)室壓力，以優(yōu)化燃燒效率和推力。

從 MIRA 的更多測試中得到的經(jīng)驗(yàn)將用于該公司的下一代太空飛機(jī)演示器 NOVA。據(jù)報(bào)道，這架測試飛機(jī)的長度將在 7 到 8 米之間，是全尺寸 AURORA 飛行器問世前的最后一步。

△POLARIS 太空飛機(jī)的 MIRA II 演示模型。照片來自 POLARIS 太空飛機(jī)。

3D 打印氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)

自 20 世紀(jì) 50 年代以來，人們一直認(rèn)為 Aerospike 發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有顯著優(yōu)勢(shì)。近年來，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展釋放了更高效制造這些先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)自由度。

△Aerospike 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。圖片來源：莫納什大學(xué)

2017 年，莫納什大學(xué)、Amaero（莫納什的一個(gè)分支機(jī)構(gòu)）、Next Aero和WoodsideEnergy合作制造并測試了3D 打印的氣動(dòng)尖峰發(fā)動(dòng)機(jī)“ProjectX” 。這款發(fā)動(dòng)機(jī)僅用了四個(gè)月的時(shí)間就完成了設(shè)計(jì)和制造。

△使用 SLM（延時(shí)攝影）進(jìn)行 3D 打印組件。圖片來源：莫納什大學(xué)，GIF 由 Rushabh Haria 提供

“Hasteloy X”是一種高強(qiáng)度鎳基高溫合金，采用選擇性激光熔化 (SLM) 技術(shù)在EOS M280 3D 金屬打印機(jī)上增材制造而成。據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Graham Bell 介紹，3D 打印使團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特的設(shè)計(jì)功能，例如“噴嘴幾何形狀”和“嵌入式冷卻網(wǎng)絡(luò)”。增材制造使團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建和 3D 打印復(fù)雜的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)可以在幾天內(nèi)進(jìn)行測試、調(diào)整和重新打印，而傳統(tǒng)生產(chǎn)方法則需要幾個(gè)月的時(shí)間。

兩年后，弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所 IWS和德累斯頓工業(yè)大學(xué)航空航天工程研究所 (ILR)合作，利用 3D 打印技術(shù)推進(jìn)氣動(dòng)尖峰發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了一臺(tái) 3D 打印的氣動(dòng)尖峰發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為 500 牛頓。然而，在測試過程中，它遇到了冷卻系統(tǒng)和燃油噴射問題。

2022 年，工程設(shè)計(jì)軟件專家Hyperganic制造了據(jù)稱是世界上最大的 3D 打印氣尖發(fā)動(dòng)機(jī)。這家總部位于慕尼黑的公司生成了數(shù)百種可行設(shè)計(jì)，其中一種是在EOS M 400-4 系統(tǒng)上使用 Inconel 718 進(jìn)行 3D 打印的，沒有支撐結(jié)構(gòu)。然后使用 AI 算法在更大的AMCM M 4K 3D 打印機(jī)上使用 CuCrZr 自動(dòng)重新設(shè)計(jì)要 3D 打印的部件。  

△AMCM和 Hyperganic 3D 打印的 Aerospike 發(fā)動(dòng)機(jī)。照片由 Michael Petch 拍攝。