自從SpaceX首次亮相以來，私人太空發(fā)射業(yè)已大大擴(kuò)展，但是某些市場(chǎng)（例如印度）現(xiàn)在才獲得監(jiān)管支持，現(xiàn)在，這些障礙正在逐漸消除，印度私人發(fā)射初創(chuàng)公司Skyroot正在飛躍成為該國第一家私人航天運(yùn)載火箭制造商，并通過一項(xiàng)新的成功的上級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒測(cè)試取得了重大技術(shù)進(jìn)步。近日，Skyroot 成功地測(cè)試了裝有帶100％3D打印噴油器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是配置在其Vikram I運(yùn)載火箭上的。

3D打印助力開啟民營航空

據(jù)悉，Skyroot成立于兩年前，其團(tuán)隊(duì)由之前曾在印度空間研究組織（ISRO）工作過的火箭工程師組成，到目前為止，這家初創(chuàng)公司已經(jīng)籌集了430萬美元，其中包括來自太空和國防承包商Solar Industries的融資，目前正在重新進(jìn)行融資流程，計(jì)劃在2021年之前再獲得1500萬美元的投資。

3D打印搭建競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

在技術(shù)方面，Skyroot目前專注于開發(fā)其首款Vikram I運(yùn)載火箭，3D打印也是Skyroot整體火箭制造技術(shù)的關(guān)鍵部分，Skyroot公司稱通過3D打印技術(shù)可將發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量降低50%，并減少其構(gòu)造所需的零部件，且將其生產(chǎn)的交貨時(shí)間縮短了80%。Skyroot下一步將對(duì)正在研發(fā)的火箭的兩個(gè)完整階段進(jìn)行試射，該公司還同時(shí)在開發(fā)下一代運(yùn)載火箭Vikram-2和Vikram-3，這些運(yùn)載火箭將在2022年至2023年之間的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)問世，并與現(xiàn)有的更大的拼車式火箭具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

這款名為“拉曼”的發(fā)動(dòng)機(jī)可以將多顆衛(wèi)星送入軌道。拉曼發(fā)動(dòng)機(jī)由UDMH和NTO液體燃料提供動(dòng)力，由4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)組成的發(fā)動(dòng)機(jī)組合產(chǎn)生3.4kN的推力，拉曼發(fā)動(dòng)機(jī)是四級(jí)火箭Vikram I的最后一級(jí)。VikramI將由3級(jí)固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，而目前已測(cè)試的最后一級(jí)是液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。這是印度首款100％3D打印的雙推進(jìn)劑液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器。與傳統(tǒng)制造相比，該引擎能夠多次重啟，使他們能夠在一次任務(wù)中將各種衛(wèi)星插入多個(gè)軌道。

關(guān)于通過3D打印技術(shù)制造3D打印注射器，除金屬外，Skyroot還在3D打印過程中使用特殊材料，Skyroot期待將3D打印應(yīng)用到Vikram-2火箭中。Skyroot已經(jīng)開發(fā)了用于運(yùn)載火箭制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制功能的內(nèi)部軟件，并且正在進(jìn)行機(jī)載航空電子模塊的測(cè)試，Skyroot的目標(biāo)是它的首枚運(yùn)載火箭于2021年12月發(fā)射，并將多顆衛(wèi)星插入太空。

油氣混合，3D打印來解決

在液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器部件方面，早在2018年，德國航天中心DLR與3D Systems客戶創(chuàng)新中心CIC合作，設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印噴射器，以此來實(shí)現(xiàn)新性能。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射器是燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室的部分。成功的液體火箭燃料噴射器以特定方式推動(dòng)部件，確保其霧化和適當(dāng)混合，產(chǎn)生移動(dòng)火箭所需的燃燒。通過使用金屬3D打印，航空航天中心能夠徹底改變同軸噴射器的設(shè)計(jì)方法，無需多個(gè)組件，顯著降低生產(chǎn)時(shí)間和成本。零件數(shù)量從30減少到1有助于最終減重10%，并消除了緊固處已知的故障點(diǎn)，有利于減少相關(guān)的質(zhì)量管控措施，提升了系統(tǒng)性能。

德國航天中心火箭噴油器的最終部件通過3D Systems的金屬打印機(jī)ProX DMP 320進(jìn)行打印，使用的材料是LaserForm? Ni718 （A），一種抗氧化和耐腐蝕的鉻鎳鐵合金。這種材料具有良好的抗拉強(qiáng)度、耐疲勞性、抗蠕變性和持久強(qiáng)度，即使溫度達(dá)到700?c，是高溫應(yīng)用的理想選擇。金屬3D打印幫助航空航天中心采用同軸噴射技術(shù)和雙旋流噴射器元件，優(yōu)化噴射頭的氧化劑和燃料混合。采用了兩種不同的冷卻方案，每一種都采用最小特征尺寸為0.2毫米、最大長度/直徑比為45的細(xì)通道。該設(shè)計(jì)還集成了噴射頭的鋪膜特性，使工程師能夠直接調(diào)整噴油器處的膜質(zhì)量流量。

航天中心通過直接將冷卻劑分配系統(tǒng)與噴射器集成，使性能有所提升，工程師能夠?qū)嵤┎ⅹ?dú)立控制壁面發(fā)汗和氣膜冷卻技術(shù)。當(dāng)在噴射器內(nèi)使用時(shí)，在燃燒室內(nèi)熱的一側(cè)形成冷卻劑膜，以保護(hù)壁面結(jié)構(gòu)不受高熱通量的影響。這種系統(tǒng)被認(rèn)為比傳統(tǒng)的再生冷卻更容易制造和經(jīng)濟(jì)。與陶瓷纖維基復(fù)合材料（CMCS）等復(fù)雜的陶瓷材料結(jié)合一起，航天中心和3D Systems開發(fā)的設(shè)計(jì)和制造方法有可能支持為了噴射頭開發(fā)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)被多次重復(fù)使用，并將技術(shù)轉(zhuǎn)移到其他應(yīng)用中。為了簡(jiǎn)化理解3D打印在動(dòng)力零件的應(yīng)用邏輯，可以把動(dòng)力裝備的發(fā)展要求概括為亮點(diǎn)：爆發(fā)力強(qiáng)、安全性高。而3D打印釋放了設(shè)計(jì)與制造的自由度，通過優(yōu)化燃料與空氣的混合比，提升動(dòng)力裝備的動(dòng)能；另一方面，通過3D打印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動(dòng)力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。

本文中所提到的噴油器，正是利用了3D打印成就復(fù)雜設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，成就更強(qiáng)健的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
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