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    BERTA燃烧室演示器通过首次测试,ESA离3D打印可回收低成本火箭更近一步

    2019-07-11来源:3D科学谷

      3D打印助力未来的发射系统必须是可重复使用的…

      BERTA燃烧室演示器。来源:ESA

      从小型到大型实现技术传递

      2019年2月18日,欧洲航天局(ESA)测试了带3D打印燃烧室的BERTA火箭发动机,其参考升力为2.45 kN(550.78 lbf)。

      BERTA燃烧室演示器点火测试。来源:ESA

      BERTA被视为3D打印用于更大的发动机的ETID(Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID为扩展循环技术集成演示器)。

      BERTA燃烧室演示器。来源:ESA

      ETID是下一代10吨火箭发动机的先驱技术载体,其中一些技术也可用于升级现有的Vinci发动机,Vinci发动机为阿丽亚娜6提供动力。通过首次测试被ESA视为增材制造火箭发动机零件的重要一步。

      用于下一代运载火箭的100吨级火箭发动机Prometheus(普罗米修斯)也将受益于BERTA的测试过程中,并获得技术传承,例如增材制造复杂零件以及实现低成本燃烧室的制造技术。

      该燃烧室由Ariane集团开发,作为ESA未来发射器预备计划(FLPP)项目的一部分,由Ariane集团开发的BERTA发动机设计用于“可储存的推进剂”,这意味着燃料可以在室温下储存。这种类型的发动机可以点燃几次并且非常可靠。它们可用于地球轨道以外的任务,并持续数月。

      根据市场观察,在下一代火箭开发中,NASA与SpaceX的合作关系越来越紧密。美国在火箭发射领域的突飞猛进,或许让欧洲的空间发射行业颇感压力。Ariane集团于2017年获得了欧洲航天局(ESA)的支持,总预算超8千万欧元用于Ariane新一代液氧-甲烷火箭发动机 — Prometheus 。

      Prometheus是Ariane集团与CNES于2015年发起的一项用于继Ariane 6之后的新一代火箭发动机,该发动机的设计特点是低成本,目标是将火箭发动机的制造成本至少降低10倍,并且可重复使用。

      根据北京航空航天大学,目前液体火箭发动机的循环系统主要分为开式循环和闭式循环梁洪。开式循环发动机设计制造成本低,但性能不高。闭式循环系统推进剂可以得到充分利用,发动机性能高,其中低温推进剂火箭发动机具有低难度,高性能,高可靠性,重复使用性强和多起启动性能好的优点。

      低温推进剂火箭发动机主要是指氢氧火箭发动机,例如Vinci发动机,使用低温氢(LH2:– 负253°C下的液态氢)作为燃料,低温氧(LOX – 零下180°下的液态氧)作为氧化剂。首先,燃料在燃烧室周围流动,冷却并蒸发。由该方法产生的气体用于驱动涡轮泵,氧化剂和燃料进入燃烧室,在那里它们与另外的氧化剂一起燃烧。

      增材制造发挥的作用是制造复杂设计的冷却通道。传统的制造方法无法一体化的制造如此复杂的通道,通过3D打印冷却腔室带有复杂冷却通道的壁。使得发动机的性能获得提升。

      BERTA发动机采用的是选择性激光熔化(SLM)金属3D打印技术,镍基合金材料用于制造注射头部分,不锈钢材料用于制造燃烧室部分。

      Review

      根据市场观察,ESA在全球市场上面临的竞争越来越激烈,竞争加剧控制成本的压力,Ariane 6号是对这种竞争压力的积极应对,因为其发射费用约为Ariane 5号的一半。

      正如《3D打印与工业制造》一书中所提到的“3D打印的价值在于赋能制造业附加值创造”,3D打印附加值创造的能量正在获得验证。

      而随着先行者占领3D打印赋能价值创造的势能高地,产业链上将传递更多对制造业附加值的追逐。

      正如GE所感叹的3D打印的革命:喷油嘴部件的核心部分只有核桃般大小,却改变了GE制造航空发动机的方式。

      3D打印不仅仅在推动下一代航空飞机的发展,也在对航天领域的制造技术发生催化剂的作用,根据Relativity Space,他们可以将火箭零件数从十万减少到一千个,并大大减少了数量级的劳动时间。这将对火箭的交付时间、产品迭代速度和成本产生影响。

      3D打印助力未来的发射系统必须是可重复使用的。而我们已经可以清晰的看到,3D打印低成本可重复利用的下一代火箭发动机已经引爆新一轮NASA与ESA竞赛。

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