火箭发射可(kě)以说(shuō)蕴含(hán)着世界上最尖端的(de)科技,尤其在结构设计上,火箭每减(jiǎn)重(chóng)1kg,就可(kě)以节约两(liǎng)万美元(yuán)的发射成本。
从前苏联发射第(dì)一颗火箭以来,火箭的(de)制造技术一直在改进,然而(ér)经过几十年的设(shè)计优(yōu)化后,传统(tǒng)的加工制造技术遇到不少瓶颈,这(zhè)时,3D打印(yìn)技术的出(chū)现(xiàn)带(dài)来了新的转(zhuǎn)机。
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2019年11月18日,南极熊获悉(xī),美国私人航空航(háng)天(tiān)公司Launcher计(jì)划对其最新研制的E-2火箭发动机进行首次(cì)全(quán)面测试,与常规(guī)火箭相比,该火箭最大的创新在于其(qí)发(fā)动机配(pèi)备了3D打印的燃烧室, 测(cè)试日期定(dìng)为2020年(nián)中旬(xún)。
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下面南极(jí)熊就带你(nǐ)来看看,他们之前已经成功测试过的3D打印E-1火(huǒ)箭(jiàn)发动机燃烧(shāo)室(shì)是怎(zěn)样制造出来的。
首先,在电(diàn)脑中(zhōng)设计出燃烧室的三维结构(gòu)(3D数据),值得注意的是这样的(de)结构是专(zhuān)为3D打印制造工艺而设计的,经过结构(gòu)优化设计(jì)之后,不但性能(néng)更强而且重量更(gèng)轻。
然后,将数据(jù)进(jìn)行切片处(chù)理(将(jiāng)设(shè)计好的3D模型数据转化为(wéi)3D打印机(jī)可以识别的工(gōng)作指令(lìng)),导入到金属3D打印(yìn)机(jī)中。
所需要用(yòng)到的铜合金(jīn)粉末材(cái)料等一切准备就绪之(zhī)后,便(biàn)开始进入令人兴奋的3D打印环(huán)节,使(shǐ)用激光一(yī)层一层(céng)的融化(huà)粉(fěn)末,每融化一(yī)层金属粉末(mò)之后,就(jiù)铺上(shàng)一层新的粉,然后继续熔融堆积,直至打印完(wán)成。
打印(yìn)完成(chéng)之后,清除燃(rán)烧室周边的多(duō)余金属粉末材料。
3D打印的燃(rán)烧室基本结(jié)构(gòu)就已(yǐ)经完成了
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然后(hòu)进行初步的测量:
此时的3D打印燃烧(shāo)室机构内部(bù)还存在很多(duō)的内应(yīng)力,需要进行高温退火处理。
退火(huǒ)之后(hòu),燃烧室的性能(néng)得(dé)到(dào)进一(yī)步的提升,此时需要(yào)去除(chú)在(zài)激光熔融打(dǎ)印时在表(biǎo)面形成的支撑(chēng)结构。
表面喷砂(shā)工艺,使(shǐ)燃烧室具有更加光滑的表面。
下面将燃烧室放入CNC加工中(zhōng)心(减材制(zhì)造(zào)工(gōng)艺(yì)),进行(háng)钻孔
用三坐标测量仪来(lái)检测燃烧室的(de)尺寸精度,确保最(zuì)终的工件的尺寸符合使用要求。
三维扫描(miáo)仪来扫描(miáo)最终的燃烧室,逆向获取其(qí)3D数(shù)据。
所有的后处理工作、测量工作完(wán)成之(zhī)后,即将(jiāng)进入令人更加(jiā)兴奋(fèn)地测试(shì)环节,将燃烧(shāo)室固定在测(cè)试(shì)架上面。
这款3D打印技(jì)术制造的铜(tóng)合(hé)金E-1火箭发(fā)动机(jī)燃烧(shāo)室经过测试,推力达到2.77KN,最大压力:430PSI,最大室温度(dù):3600KELVIN。
而2020年要测试的是最新升级版的E-2发动(dòng)机,Launcher Engine-2将是小(xiǎo)型卫星发(fā)射器级别中性能最高的引擎-具有最大推力,最低推(tuī)进剂消耗量和最低(dī)每磅推力成本。
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△Launcher的 E-2发(fā)动机
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△Launcher的 E-2发动机的详(xiáng)细细节(jiē)
每个发(fā)动机(jī)产生10吨推力(22,000磅力),四个Engine-2液体火箭发(fā)动机将为Rocket-1的第一阶段提(tí)供动力。第五台经过真空优化的Engine-2发动机将为第二阶段(duàn)提供(gòng)动(dòng)力(lì)。
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Engine-2或E-2也可(kě)以出售给商业和政府客户,以与他(tā)们自(zì)己的(de)运载火箭集(jí)成。
据南极熊(xióng)了解,3D打(dǎ)印的E-2发动机燃烧室(shì)由EOS集团旗下的AMCM制(zhì)造,这(zhè)个零件(jiàn)据称(chēng)是世界(jiè)上最(zuì)大(dà)的3D打(dǎ)印液体(tǐ)火箭发动机燃烧室(shì)单体部(bù)件。
Launcher公(gōng)司于2017年在纽约布鲁克林成立,是一(yī)家航空航天初创公司,他们开发的Rocket-1运载火箭高20米(65英尺(chǐ))长(zhǎng),可以将重达773千(qiān)克(kè)(1,704磅)的卫星传送到低地球轨道。
最初(chū),该公司(sī)与EOS合(hé)作(zuò),于2018年用铜(tóng)合(hé)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烧室。后来(lái),Launcher于2019年开发了(le)液氧(yǎng)和煤油E-2发动机,并(bìng)选(xuǎn)择与AMCM合(hé)作为发动机(jī)生产3D打印燃(rán)烧室。E-2发动机(jī)采用(yòng)高性能铜合金3D打印,高度为(wéi)860毫米(34英寸),出口喷嘴直径为410毫米(16英寸),进入轨道所需(xū)的推进剂(jì)更少,从而使(shǐ)发射器每枚火箭可以运载更多的卫星货物,其(qí)价格比竞争对手更低。
Launcher在2019年11月5日(空军太(tài)空日)获得美国(guó)空军太(tài)空与导弹系统中心(SMC)的150万美元奖励。
AMCM将(jiāng)在2019年Formnext 11.1号展馆C49展位上展示全(quán)尺寸Launcher E-2燃烧室模(mó)型。