號(hào)稱能節(jié)省30%燃料的3D打印火箭引擎 
來自德國德勒斯登Fraunhofer材料暨光束技術(shù)研究所(Institute for Material and Beam Technology，簡稱Fraunhofer IWS)，以及德勒斯登工業(yè)大學(xué)(TU Dresden)航天工程研究所的研究人員，以3D打印技術(shù)打造了新式火箭引擎，配備了微型發(fā)射器使用之氣尖噴嘴(aerospike nozzle)，能用以將小型衛(wèi)星送上太空；研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制作出按比例縮放的引擎原型，預(yù)期這種引擎消耗的燃料能比傳統(tǒng)引擎減少30%。


號(hào)稱能節(jié)省30%燃料的3D打印火箭引擎


該研究團(tuán)隊(duì)表示，小型衛(wèi)星市場(chǎng)呈現(xiàn)成長態(tài)勢(shì)，根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Allied Market Research的估計(jì)，該市場(chǎng)可從2018年的36億美元，在2026年達(dá)到157億美元的規(guī)模，期間復(fù)合年平均成長率(CAGR)為20.1%。小型衛(wèi)星的重量通常低于500公斤，其市場(chǎng)成長動(dòng)力來自于農(nóng)業(yè)、能源、土木工程、石油與天然氣等產(chǎn)業(yè)對(duì)地球觀測(cè)服務(wù)的需求。

英國打算在蘇格蘭興建一個(gè)太空港──這會(huì)是歐洲的首個(gè)太空港，而德國工業(yè)聯(lián)盟(Federation of German Industries，BDI)也支持建立一個(gè)國家太空港，設(shè)置將研究設(shè)備與小型微星送上太空的中、小型發(fā)射器平臺(tái)；這種小型發(fā)射器的酬載重量可達(dá)350公斤。

上述的Allied Market Research研究報(bào)告指出，與傳統(tǒng)衛(wèi)星相較，小型衛(wèi)星的開發(fā)周期較短，所需開發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模也比較小，制造與發(fā)射成本也因此降低；但一個(gè)可能阻礙小型衛(wèi)星市場(chǎng)成長的因素是──缺乏專用發(fā)射器。

德國的研究人員們相信，氣尖引擎能讓微型發(fā)射器更節(jié)省能源；經(jīng)過了兩年的努力，他們?cè)诘聡?lián)邦教育暨科研部(German Federal Ministry of Education and Research，BMBF)的贊助下，成功制作并測(cè)試了氣尖引擎，預(yù)期燃料消耗量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)火箭引擎。

其研發(fā)成果的獨(dú)特之處，在于燃料噴射器、燃燒室以及噴嘴都是利用稱為「雷射粉床熔融」(laser powder bed fusion，L-PBF)的積層制造技術(shù)一層一層印出來的；研究人員表示：「噴嘴是以尖狀的中心體組成，這種設(shè)計(jì)是為了加速燃燒氣體?！?br />
由Fraunhofer IWS與TU Dresden聯(lián)合營運(yùn)的德勒斯登積層制造中心(Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)科學(xué)助理Michael Muller表示，氣尖引擎技術(shù)可回溯到1960年代，而現(xiàn)在他們是將積層制造導(dǎo)入傳統(tǒng)制程，催生更高效率的引擎。

研究人員表示，氣尖噴嘴「能在從地球發(fā)射至太空軌道的過程中，更良好適應(yīng)氣壓變化，并因此使其更具效率，燃料消耗量能比傳統(tǒng)引擎更低；」消耗的燃料更少，意味著整體系統(tǒng)的重量能進(jìn)一步減輕，并且讓酬載量更大。

為了實(shí)現(xiàn)以積層制造技術(shù)──也就是3D打印──設(shè)計(jì)與制作的火箭引擎，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的TU Dresden航天專家負(fù)責(zé)為引擎畫設(shè)計(jì)圖，F(xiàn)raunhofer IWS研究人員則進(jìn)行制造與材料的驗(yàn)證；該團(tuán)隊(duì)的第一步是讓設(shè)計(jì)能適應(yīng)積層制造程序，然后是材料的選擇與特征化。接下來他們以L-PBF技術(shù)制作了引擎的兩個(gè)零件，并對(duì)其表面功能進(jìn)行二次加工，用雷射焊接將零件結(jié)合；再用計(jì)算機(jī)斷層掃瞄來檢查孔洞或其他缺陷，以確保燒結(jié)粉末不會(huì)阻塞冷卻通道。

研究人員決定以積層制造技術(shù)制作金屬火箭，是因?yàn)檫@種火箭需要優(yōu)異的冷卻以及內(nèi)部冷卻通道?！高@種復(fù)雜的再生冷卻系統(tǒng)具備如迷宮般的內(nèi)部管道，無法以傳統(tǒng)方法銑磨鑄造；」
Fraunhofer IWS的3D制造部門經(jīng)理Mirco Riede表示：「藉由一層層熔化粉末，這種選擇性的雷射熔融技術(shù)能逐漸形成具備1mm寬度冷卻信道的零件。」他接著指出：「冷卻通道沿著燃燒室的輪廓，內(nèi)部殘留的粉末會(huì)被清干凈；這種金屬必須滿足嚴(yán)格的要求，在高溫下仍維持固態(tài)與良好的導(dǎo)熱性，以確保最佳冷卻效果。」

研究團(tuán)隊(duì)制作的氣尖引擎原型已經(jīng)過TU Dresden航天工程研究所的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，達(dá)到30秒的點(diǎn)火時(shí)間(burn time)；Muller表示，這證明了使用積層制造技術(shù)能成功打造出可用的液體推進(jìn)噴射引擎。目前研究人員正在研究如何進(jìn)一步提升該噴射系統(tǒng)的引擎效率，于2020年1月啟動(dòng)了名為CFDμSAT的新項(xiàng)目，并與歐洲火箭開發(fā)商Ariane Group以及德國大廠西門子(Siemens)結(jié)為伙伴。