美欲借3D打印技术摆脱俄制发动机依赖_4
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  据下一代政府网站10月23日报道,美国防部计划研发俄制发动机RD-180的替代方案。与此同时,美国挤压研磨公司和航空喷气洛克达因公司正在通过3D打印技术建造发动机,该发动机可替代RD-180发动机,用于宇宙神-5火箭执行军事发射任务以及未来NASA载人航天发射任务。该发动机大部分部件将使用3D打印技术建造,由于3D打印技术可节省大量时间和成本,因而能加速RD-180替代方案的研发进程。

  俄借限制RD-180火箭发动机出口对美实施以牙还牙式制裁

  RD-180是俄罗斯的一款双燃烧室双喷嘴的火箭发动机,由RD-170系列衍生而来,与RD-170类似,RD-180也是共享涡轮泵。RD-180的使用权已被通用动力公司航天部门取得(后来易手给洛克马丁),上世纪90年代被用来开发改进型一次性运载火箭(EELV)和阿特拉斯运载火箭。考虑到这些火箭既要满足军用,又要用于商业发射,因此普惠公司也加入发动机合作项目。发动机的全部生产在俄罗斯进行,而负责出售的是发动机生产商动力机械科研生产联合体和普惠公司组成的合资公司。

  RD-180火箭发动机以煤油和液氧为推进剂,使用高压分级燃烧循环。RD-180继承了先驱RD-170的富氧预燃室设计,使发动机效率更高。喷嘴的活动由四个液压缸支持。RD-180推力3827千牛、比冲3052米/秒。该发动机由美国联合发射联盟公司引进,用作宇宙神-5运载火箭的芯一级发动机,单价1100-1500万美元。宇宙神-5火箭是美国当前主力运载火箭,与德尔它-4火箭同属美国空军的改进型一次性运载火箭。二者均由联合发射联盟公司提供,共同承担着美国政府的重要卫星发射任务。

  美国联合发射联盟公司曾宣称,美国进口俄制RD-180发动机已有15年的历史,期间从来没有发生过供应链中断问题,在世界航天领域被视为国际合作典范。虽然该发动机性能可靠、价格便宜、供货稳定,但事关美国国家安全的发射任务却依赖俄罗斯的发动机,一直都是美国政府的隐忧。随着乌克兰局势持续紧张,美国不断升级制裁措施。俄罗斯也不示弱,一度借威胁禁止俄制RD-180发动机用于美国航天发射任务来回击美国制裁。

  由美国航天专家组成的一个委员会对于在不使用俄制RD-180发动机条件下的美国发射情况进行了展望。委员会发现,失去俄制RD-180发动机将会导致31项任务的延迟,损失多达50亿美元,另外还会对空军长期的国家安全发射合同竞争造成重要影响。鉴于宇宙神-5火箭在美国有效载荷发射任务中的重要地位,以及新型液体火箭发动机研制一般需要数年时间,寻找RD-180替代方案成为美国当前的一个紧迫事项。日前,美国空军发布信息征询,邀请美国相关航天企业共同思考,如何确保美国的卫星以及其他重要有效载荷的顺利发射。对此,美国主要的航天企业积极回应,并提出了发展新型火箭发动机技术、研制新型火箭等多种解决方案。

  美为摆脱受制于人的局面全力开发RD-180发动机替代方案

  第一个解决方案是,由联合发射联盟公司与蓝源公司合作研制BE-4液氧/甲烷发动机。今年9月17日,美国联合发射联盟公司宣布,将为蓝源公司的BE-4发动机研制项目投资(未说明具体金额),以替代俄制RD-180。据悉,蓝源公司近3年来一直在研制BE-4发动机,相比其他公司可谓先行一步。BE-4发动机推力约2446千牛,采用甲烷作为燃料,成本较低。芯一级采用2台BE-4发动机的新型宇宙神-5火箭有望在2019年首飞。蓝源公司表示,选择甲烷而非煤油作为发动机的推进剂,是出于成本和可重复使用性的双重考虑。甲烷也就是液化天然气,比航天专用煤油便宜,燃烧残余物更少,这使得发动机更易于翻新和重复使用。蓝源公司创始人贝索斯透露,BE-4发动机将完全由美国设计和制造,利用计算机仿真和增材制造等最新技术。如果研制成功,BE-4不仅可用于宇宙神-5火箭,还可用于蓝源公司的未来可重复使用轨道运载器,在摆脱对RD-180依赖的同时,还能实现美国运载火箭主发动机的国产化。可谓一举两得。然而,目前两家公司合作研制甲烷发动机将面对大量的技术问题。同时,为适应甲烷推进剂,宇宙神-5火箭也需要一些适应性改进。

  第二个解决方案是,航空喷气洛克达因公司希望美国空军尽快启动AR-1液氧/煤油火箭发动机的研制,以替代俄制RD-180发动机。目前,该公司正在推进AR-1发动机的初步研究。其母公司金库普公司的总裁兼首席执行官塞缪尔透露,AR-1发动机设计推力约为2224千牛,研制费用预计达8-10亿美元,需4年时间。如果一切进展顺利,AR-1发动机的研制工作将于2019年前后完成。同时,航空喷气洛克达因公司为AR-1发动机开发了一种名为Mondaloy的合金材料。这种合金强度高并且耐高温,特别适合用于采用富氧分级燃烧循环的液体火箭发动机。与俄制RD-180发动机的内部涂层材料相比,该合金更为经济可靠。此外,航空喷气洛克达因公司为降低风险,与Dynetics公司合作研究喷注器及发动机其他组件的增材制造技术。两家公司已经利用增材技术制造了133千牛推力的火箭发动机喷注器,并准备对其进行试车。

  第三个解决方案是,ATK公司向美国空军建议用固体火箭发动机代替RD-180。曾经,ATK公司在短时间内研制了6款新型固体火箭发动机,其中最短的研制时间不到2年。我们拥有丰富的经验,曾为商业用户提供低成本的解决方案,并在数月内就从设计阶段推进到飞行验证阶段。ATK航空航天公司总裁布莱克拉尔森表示,同样,ATK公司也可以迅速地为美国空军提供RD-180发动机的替代型,而且价格也将极具竞争力。ATK公司认为,固体火箭发动机最大的优势在于可以为有效载荷提供平稳的推力,这对敏感的国家安全卫星发射任务非常有益。此外,固体火箭发动机所需的地面发射设施更为简化。除上述发动机研制方案,美国SpaceX公司表示将在2015年推出新型大型运载火箭,用于补充甚至替代宇宙神-5火箭。

  3D打印技术或为美破解火箭发动机的研发难题打开了方便之门

  虽然上述美国航天企业如期向美国空军给出了各自的方案,但都存在着一定的技术挑战。无论是BE-4还是AR-1,其单机推力都小于RD-180,这需要把宇宙神-5火箭一子级原有的单发动机结构改为双发动机结构,控制系统也需同步更新。BE-4发动机采用了液氧/甲烷推进剂,这需要重新设计一子级原有结构。而ATK公司提出的固体发动机方案,其全箭环境适应性对一些用户的卫星也将是一种挑战。

  制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术,如果使用3D打印技术,就可以降低制造上的复杂程度,在计算机中建立喷射器的三维图像,打印的材料为金属粉末和激光,在较高的温度下,金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子。火箭发动机中的喷射器内有数十个喷射元件,要建造大小相似的元件需要一定的加工精度,该技术测试成功后将用于制造RS-25发动机,其作为美国宇航局未来太空发射系统的主要动力,该火箭可运载宇航员超越近地轨道,进入更遥远的深空。

  马歇尔中心的工程部主任克里斯认为3D打印技术在火箭发动机喷油器上应用只是第一步,我们的目的在于测试3D打印部件如何能彻底改变火箭的设计与制造,并提高系统的性能,更重要的是可以节省时间和成本,不太容易出现故障。本次测试中,两具火箭喷射器进行了点火,每次5秒,设计人员创建的复杂几何流体模型允许氧气和氢气充分混合,压力为每平方英寸1400磅。

  2014年8月31日,美国宇航局的工程师们刚刚完成了3D打印火箭喷射器的测试,本项研究在于提高火箭发动机某个组件的性能,由于喷射器内液态氧和气态氢一起混合反应,这里的燃烧温度可达到6000华氏度,大约为3315摄氏度,可产生2万磅的推力,约9吨左右,验证了3D打印技术在火箭发动机制造上的可行性。本项测试工作位于阿拉巴马亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心,这里拥有较为完善的火箭发动机测试条件,工程师可验证3D打印部件在点火环境中的性能。

  美国挤压研磨公司企业发展部负责人库克表示,两家公司合作的研发团队已建造了该火箭发动机的关键部件预燃室,过去建造该部件通常需要15个月,而合作团队仅用了15天,并计划在今年底前测试该部件。早在提出RD-180更换计划提出之前,两家公司已为该3D打印项目开展了2年的研发工作。据估计,RD-180替代方案的研发工作可能将花费5-7年,成本可能为数亿美元甚至高达50亿美元。但库克表示,两家公司的合作团队认为,可在国防部合同要求的2年半之内建造原型发动机,并在2019年完成适飞的发动机。

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