3D打印火箭引擎减少30%燃料消耗

来自德国德勒斯登Fraunhofer材料暨光束技术研究所(Institute for Material and Beam Technology，简称Fraunhofer IWS)，以及德勒斯登工业大学(TU Dresden)航天工程研究所的研究人员，以3D打印技术打造了新式火箭引擎，配备了微型发射器使用之气尖喷嘴(aerospike nozzle)，能用以将小型卫星送上太空；研究团队已经制作出按比例缩放的引擎原型(参考文章上方大图)，预期这种引擎消耗的燃料能比传统引擎减少30%。

该研究团队表示，小型卫星市场呈现成长态势，根据市场研究机构Allied Market Research的估计，该市场可从2018年的36亿美元，在2026年达到157亿美元的规模，期间复合年平均成长率(CAGR)为20.1%。小型卫星的重量通常低于500公斤，其市场成长动力来自于农业、能源、土木工程、石油与天然气等产业对地球观测服务的需求。

英国打算在苏格兰兴建一个太空港──这会是欧洲的首个太空港，而德国工业联盟(Federation of German Industries，BDI)也支持建立一个国家太空港，设置将研究设备与小型微星送上太空的中、小型发射器平台；这种小型发射器的酬载重量可达350公斤。

上述的Allied Market Research研究报告指出，与传统卫星相较，小型卫星的开发周期较短，所需开发团队规模也比较小，制造与发射成本也因此降低；但一个可能阻碍小型卫星市场成长的因素是──缺乏专用发射器。

德国的研究人员们相信，气尖引擎能让微型发射器更节省能源；经过了两年的努力，他们在德国联邦教育暨科研部(German Federal Ministry of Education and Research，BMBF)的赞助下，成功制作并测试了气尖引擎，预期燃料消耗量远低于传统火箭引擎。

其研发成果的独特之处，在于燃料喷射器、燃烧室以及喷嘴都是利用称为“雷射粉床熔融”(laser powder bed fusion，L-PBF)的积层制造技术一层一层印出来的；研究人员表示：“喷嘴是以尖状的中心体组成，这种设计是为了加速燃烧气体。”

由Fraunhofer IWS与TU Dresden联合营运的德勒斯登积层制造中心(Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)科学助理Michael Muller表示，气尖引擎技术可回溯到1960年代，而现在他们是将积层制造导入传统制程，催生更高效率的引擎。

研究人员表示，气尖喷嘴“能在从地球发射至太空轨道的过程中，更良好适应气压变化，并因此使其更具效率，燃料消耗量能比传统引擎更低；”消耗的燃料更少，意味着整体系统的重量能进一步减轻，并且让酬载量更大。

为了实现以积层制造技术──也就是3D打印──设计与制作的火箭引擎，项目团队中的TU Dresden航天专家负责为引擎画设计图，Fraunhofer IWS研究人员则进行制造与材料的验证；该团队的第一步是让设计能适应积层制造程序，然后是材料的选择与特征化。接下来他们以L-PBF技术制作了引擎的两个零件，并对其表面功能进行二次加工，用雷射焊接将零件结合；再用计算机断层扫瞄来检查孔洞或其他缺陷，以确保烧结粉末不会阻塞冷却通道。

研究人员决定以积层制造技术制作金属火箭，是因为这种火箭需要优异的冷却以及内部冷却通道。“这种复杂的再生冷却系统具备如迷宫般的内部管道，无法以传统方法铣磨铸造；”Fraunhofer IWS的3D制造部门经理Mirco Riede表示：“藉由一层层熔化粉末，这种选择性的雷射熔融技术能逐渐形成具备1mm宽度冷却信道的零件。”他接着指出：“冷却通道沿着燃烧室的轮廓，内部残留的粉末会被清干净；这种金属必须满足严格的要求，在高温下仍维持固态与良好的导热性，以确保最佳冷却效果。”

研究团队制作的气尖引擎原型已经过TU Dresden航天工程研究所的实验室测试，达到30秒的点火时间(burn time)；Muller表示，这证明了使用积层制造技术能成功打造出可用的液体推进喷射引擎。目前研究人员正在研究如何进一步提升该喷射系统的引擎效率，于2020年1月启动了名为CFDμSAT的新项目，并与欧洲火箭开发商Ariane Group以及德国大厂西门子(Siemens)结为伙伴。

编译：Judith Cheng   责编：Yvonne Geng

(参考原文：3D-Printed Rocket Engine for Microlaunchers Consumes 30% Less Fuel ，by Gina Roos)