美欲借3D打印技術(shù)擺脫俄制發(fā)動機(jī)依賴

　　第二個(gè)解決方案是，航空噴氣·洛克達(dá)因公司希望美國空軍盡快啟動AR-1液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)的研制，以替代俄制RD-180發(fā)動機(jī)。目前，該公司正在推進(jìn)AR-1發(fā)動機(jī)的初步研究。其母公司金庫普公司的總裁兼首席執(zhí)行官塞繆爾透露，AR-1發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)推力約為2224千牛，研制費(fèi)用預(yù)計(jì)達(dá)8-10億美元，需4年時(shí)間。如果一切進(jìn)展順利，AR-1發(fā)動機(jī)的研制工作將于2019年前后完成。同時(shí)，航空噴氣·洛克達(dá)因公司為AR-1發(fā)動機(jī)開發(fā)了一種名為Mondaloy的合金材料。這種合金強(qiáng)度高并且耐高溫，特別適合用于采用富氧分級燃燒循環(huán)的液體火箭發(fā)動機(jī)。與俄制RD-180發(fā)動機(jī)的內(nèi)部涂層材料相比，該合金更為經(jīng)濟(jì)可靠。此外，航空噴氣·洛克達(dá)因公司為降低風(fēng)險(xiǎn)，與Dynetics公司合作研究噴注器及發(fā)動機(jī)其他組件的增材制造技術(shù)。兩家公司已經(jīng)利用增材技術(shù)制造了133千牛推力的火箭發(fā)動機(jī)噴注器，并準(zhǔn)備對其進(jìn)行試車。

　　第三個(gè)解決方案是，ATK公司向美國空軍建議用固體火箭發(fā)動機(jī)代替RD-180。曾經(jīng)，ATK公司在短時(shí)間內(nèi)研制了6款新型固體火箭發(fā)動機(jī)，其中最短的研制時(shí)間不到2年。“我們擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，曾為商業(yè)用戶提供低成本的解決方案，并在數(shù)月內(nèi)就從設(shè)計(jì)階段推進(jìn)到飛行驗(yàn)證階段?！盇TK航空航天公司總裁布萊克·拉爾森表示，“同樣，ATK公司也可以迅速地為美國空軍提供RD-180發(fā)動機(jī)的替代型，而且價(jià)格也將極具競爭力?！盇TK公司認(rèn)為，固體火箭發(fā)動機(jī)最大的優(yōu)勢在于可以為有效載荷提供平穩(wěn)的推力，這對敏感的國家安全衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)非常有益。此外，固體火箭發(fā)動機(jī)所需的地面發(fā)射設(shè)施更為簡化。除上述發(fā)動機(jī)研制方案，美國SpaceX公司表示將在2015年推出新型大型運(yùn)載火箭，用于補(bǔ)充甚至替代“宇宙神”-5火箭。

　　雖然上述美國航天企業(yè)如期向美國空軍給出了各自的方案，但都存在著一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。無論是BE-4還是AR-1，其單機(jī)推力都小于RD-180，這需要把“宇宙神”-5火箭一子級原有的單發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)改為雙發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)也需同步更新。BE-4發(fā)動機(jī)采用了液氧/甲烷推進(jìn)劑，這需要重新設(shè)計(jì)一子級原有結(jié)構(gòu)。而ATK公司提出的固體發(fā)動機(jī)方案，其全箭環(huán)境適應(yīng)性對一些用戶的衛(wèi)星也將是一種挑戰(zhàn)。

　　制造火箭發(fā)動機(jī)的噴射器需要精度較高的加工技術(shù)，如果使用3D打印技術(shù)，就可以降低制造上的復(fù)雜程度，在計(jì)算機(jī)中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子?；鸺l(fā)動機(jī)中的噴射器內(nèi)有數(shù)十個(gè)噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術(shù)測試成功后將用于制造RS-25發(fā)動機(jī)，其作為美國宇航局未來太空發(fā)射系統(tǒng)的主要動力，該火箭可運(yùn)載宇航員超越近地軌道，進(jìn)入更遙遠(yuǎn)的深空。

　　馬歇爾中心的工程部主任克里斯認(rèn)為3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動機(jī)噴油器上應(yīng)用只是第一步，“我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設(shè)計(jì)與制造，并提高系統(tǒng)的性能，更重要的是可以節(jié)省時(shí)間和成本，不太容易出現(xiàn)故障”。本次測試中，兩具火箭噴射器進(jìn)行了點(diǎn)火，每次5秒，設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建的復(fù)雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。

　　2014年8月31日，美國宇航局的工程師們剛剛完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項(xiàng)研究在于提高火箭發(fā)動機(jī)某個(gè)組件的性能，由于噴射器內(nèi)液態(tài)氧和氣態(tài)氫一起混合反應(yīng)，這里的燃燒溫度可達(dá)到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產(chǎn)生2萬磅的推力，約9噸左右，驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在火箭發(fā)動機(jī)制造上的可行性。本項(xiàng)測試工作位于阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這里擁有較為完善的火箭發(fā)動機(jī)測試條件，工程師可驗(yàn)證3D打印部件在點(diǎn)火環(huán)境中的性能。

　　美國擠壓研磨公司企業(yè)發(fā)展部負(fù)責(zé)人庫克表示，兩家公司合作的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已建造了該火箭發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件預(yù)燃室，過去建造該部件通常需要15個(gè)月，而合作團(tuán)隊(duì)僅用了15天，并計(jì)劃在今年底前測試該部件。早在提出RD-180更換計(jì)劃提出之前，兩家公司已為該3D打印項(xiàng)目開展了2年的研發(fā)工作。據(jù)估計(jì)，RD-180替代方案的研發(fā)工作可能將花費(fèi)5-7年，成本可能為數(shù)億美元甚至高達(dá)50億美元。但庫克表示，兩家公司的合作團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，可在國防部合同要求的2年半之內(nèi)建造原型發(fā)動機(jī)，并在2019年完成適飛的發(fā)動機(jī)。