火箭发射可以说蕴含(hán)着世界上最尖(jiān)端的科技,尤(yóu)其在结构设计(jì)上,火箭(jiàn)每减重1kg,就可以节约两(liǎng)万美元的发射成本。
从前(qián)苏(sū)联发射第一颗火箭以(yǐ)来,火箭(jiàn)的制(zhì)造技术一直在改(gǎi)进,然而经过几十年(nián)的设计优化后(hòu),传统的(de)加(jiā)工制造(zào)技术(shù)遇到不(bú)少瓶颈,这时,3D打(dǎ)印(yìn)技术的出现带来了新(xīn)的转机。
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2019年11月(yuè)18日,南(nán)极熊(xióng)获悉,美国私(sī)人航空(kōng)航天(tiān)公司Launcher计划对(duì)其最新研制的(de)E-2火箭发动(dòng)机进行(háng)首次全面测试,与常规(guī)火箭相比,该(gāi)火箭最大的创新在于其发动(dòng)机配备(bèi)了3D打印的燃(rán)烧室, 测试日期(qī)定为2020年中旬。
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下面南极熊(xióng)就带你来(lái)看看,他们(men)之前已经成(chéng)功测试过的3D打(dǎ)印E-1火箭发动机燃烧(shāo)室(shì)是怎(zěn)样(yàng)制(zhì)造出来的。
首先,在电脑中(zhōng)设计出燃(rán)烧室的三维结(jié)构(3D数据(jù)),值得注(zhù)意的(de)是这(zhè)样的结构(gòu)是专(zhuān)为3D打印制造工艺而设计的,经过结构优化设(shè)计之后(hòu),不但性能更强(qiáng)而且(qiě)重量更轻。
然后(hòu),将数据进行切片处理(将(jiāng)设计好的3D模(mó)型数(shù)据转化为3D打印机可以识别的工作指令),导入到(dào)金属3D打印机中。
所需要用到的(de)铜(tóng)合金(jīn)粉末材料等一(yī)切准备就(jiù)绪之后(hòu),便开(kāi)始进入令人(rén)兴奋的3D打印环节,使用激光一(yī)层一层的融化粉末,每融(róng)化一(yī)层金(jīn)属粉末之(zhī)后,就铺上一层新的(de)粉,然后继(jì)续熔融堆积,直至打印完成。
打印完(wán)成之(zhī)后,清(qīng)除燃烧室(shì)周边的多余金属粉末材料。
3D打印的(de)燃(rán)烧室基本结(jié)构就已经完成了
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然后进行初(chū)步的测量:
此时的3D打印燃烧室(shì)机(jī)构内部还(hái)存在很多的内(nèi)应力,需要进(jìn)行高温退火处理(lǐ)。
退火之后,燃烧室的性能(néng)得到进一步的提(tí)升,此(cǐ)时需要去除在激光熔融打印(yìn)时在表面形成(chéng)的(de)支撑结(jié)构。
表(biǎo)面喷砂工艺(yì),使燃烧室(shì)具有更加光滑的表面。
下面将燃(rán)烧室放入CNC加工(gōng)中心(减材制(zhì)造工艺),进行钻孔
用三坐标测量仪(yí)来检测燃烧室的尺寸精(jīng)度,确保(bǎo)最终的工件的尺寸符合(hé)使(shǐ)用要求。
三维扫描仪(yí)来扫描最终(zhōng)的燃烧室,逆(nì)向获(huò)取(qǔ)其(qí)3D数据。
所(suǒ)有的后处(chù)理工作(zuò)、测量工作(zuò)完成之后,即(jí)将进入令(lìng)人更加兴奋地测试环节(jiē),将燃烧室固(gù)定在测试架上面。
这款3D打印技术制造的(de)铜合金E-1火(huǒ)箭发动机燃烧室经过测试,推力达到2.77KN,最大压力:430PSI,最大(dà)室(shì)温度:3600KELVIN。
而2020年要(yào)测试的是最新升级版的E-2发动机,Launcher Engine-2将是小(xiǎo)型(xíng)卫星发射器(qì)级别(bié)中性(xìng)能(néng)最高的引擎-具有最大推力,最低推进剂消耗量和(hé)最(zuì)低每磅推力成本。
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△Launcher的(de) E-2发动机
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△Launcher的 E-2发动机(jī)的详细细节(jiē)
每个(gè)发(fā)动(dòng)机产生10吨推力(lì)(22,000磅力),四个Engine-2液体(tǐ)火箭发动机将(jiāng)为Rocket-1的第一阶(jiē)段提供(gòng)动力。第(dì)五台经(jīng)过真空优化的(de)Engine-2发动机将为第二阶段提供动力。
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Engine-2或E-2也可以出售给商业和政(zhèng)府客(kè)户,以与他们自(zì)己的运载火箭集成。
据南极熊(xióng)了解,3D打印的E-2发(fā)动机燃(rán)烧(shāo)室由EOS集团旗(qí)下的AMCM制(zhì)造,这个零件据称(chēng)是世界上最大(dà)的3D打(dǎ)印液体火箭发动机燃(rán)烧室(shì)单(dān)体部件。
Launcher公司(sī)于(yú)2017年在纽(niǔ)约布鲁克林成立,是(shì)一家航空航(háng)天初(chū)创公司,他们开发(fā)的Rocket-1运载火箭(jiàn)高20米(65英尺)长,可(kě)以将重(chóng)达(dá)773千克(1,704磅)的卫(wèi)星传送到低地球轨道。
最初,该公司与EOS合作(zuò),于2018年用铜合金3D打印其E1概念验证发动机的底座,E-1发动机是Launcher的第一代液氧冷却燃(rán)烧室。后来,Launcher于2019年开发了(le)液(yè)氧和(hé)煤油(yóu)E-2发动机,并选(xuǎn)择与AMCM合作为发动机生产3D打印燃烧室。E-2发(fā)动机采(cǎi)用(yòng)高性能铜(tóng)合金3D打印,高度为860毫米(34英(yīng)寸),出(chū)口喷嘴直径(jìng)为(wéi)410毫米(16英寸),进入轨道所需的推进剂(jì)更少,从而使发射器每枚火(huǒ)箭可以(yǐ)运载更多(duō)的卫星(xīng)货物,其价(jià)格比竞争对手更低。
Launcher在(zài)2019年11月5日(rì)(空军太空日)获得美国空军(jun1)太空与导(dǎo)弹系统中心(SMC)的150万美(měi)元奖励(lì)。
AMCM将在2019年Formnext 11.1号展馆C49展位上展(zhǎn)示全尺寸Launcher E-2燃烧室模(mó)型(xíng)。