“內(nèi)衣外穿”的Aerospike小型火箭發(fā)動機如何通過3D打印來實現(xiàn)？

澳大利亞Monash大學的Amaero項目成員、預備博士生Marten Jurg表示，增材制造帶來的設計自由度可以有力的實現(xiàn)Aerospike發(fā)動機所需的技術突破。 Aerospike發(fā)動機是一種火箭發(fā)動機，可在廣泛的高度范圍內(nèi)保持其空氣動力學效率。 屬于高度補償噴嘴發(fā)動機類。 具有Aerospike發(fā)動機的火箭在低空下使用25-30％的燃料，其中大多數(shù)任務對于推力都是最大的需求。

圖片：Aerospike與傳統(tǒng)發(fā)動機的設計區(qū)別

Aerospike排氣歧管的設計與傳統(tǒng)的鐘形火箭基本上是相反的。當前航天飛機上普遍采用的傳統(tǒng)鐘形火箭的推力是逐漸減少的，當點火發(fā)射的時候效率最高，隨后當火箭向上攀升的時候，推力開始減弱。而Aerospike結構設計理念可以保持火箭在離開地面后的推力。

圖片：Aerospike噴嘴（右）與傳統(tǒng)發(fā)動機噴嘴的區(qū)別

Aerospike發(fā)動機已經(jīng)研究了多年，是許多單級到軌道（SSTO）設計的基準引擎，也是航天飛機主機的強大競爭者。 最初XRS-2200 Aerospike發(fā)動機是由波音的Rocketdyne推進與動力公司研制并裝配的。該發(fā)動機將為X-33提供動力。X-33是洛克希德馬丁公司建議的商業(yè)可重復使用運載火箭。然而，從1996年到NASA在2001年正式取消VentureStar計劃是Aerospike發(fā)動機得到高度重視又趨于平淡的一段時期，當NASA在2001年3月宣布該計劃正式宣告失效時，當時NASA已經(jīng)花費了近10億美元的資金，而洛克希德馬丁公司和其他合作伙伴則貢獻了3.57億美元。

Aerospike結構通過傳統(tǒng)制造技術很難構建，通過3D打印技術，可以創(chuàng)造復雜的幾何形狀，包括機加工容易形成干涉的部位通過3D打印技術可以得到有效的解決。

Amaero團隊從一開始就圍繞增材制造設計理念設計了他們的航空航天發(fā)動機。團隊在使用Hastelloy X（一種高強度鎳基高溫合金）材料在EOS M280上進行加工時，關于構建腔體尺寸約束、零件尺寸、材料性能以及零件設計的角度、厚度和布局等關鍵參數(shù)均已考慮在內(nèi)，這些參數(shù)的設置是結合了該團隊在使用選擇性激光熔融技術加工高溫合金方面多年的經(jīng)驗。

Amaero團隊借鑒哈氏合金的加工經(jīng)驗，知道什么是可能和不可能的。通過與流體工程師的交流，Amaero團隊能夠快速迭代并創(chuàng)建符合關鍵性能標準的幾何和特征，同時仍然保持適用于增材制造的可建造性。整個設計的理念圍繞著價值實現(xiàn)來完成，比如發(fā)動機的三腔設計、截斷的氣塞和冷卻配置。

其中隨形冷卻通道是Amaero的氣動裝置的一個特殊設計，傳統(tǒng)上這是不可能制造的。包括隨形冷卻、噴射器歧管、消除高溫密封（通過使燃燒室成為單件）以及流體流動路徑和控制機制都體現(xiàn)了增材制造特點。通過單獨的冷卻通道不斷改變尺寸和方向，以迎合特定的局部熱通量，這對于確保發(fā)動機不出故障實現(xiàn)連續(xù)運行至關重要。采用傳統(tǒng)的制造方法，人們可能會將冷卻管路焊接在一起，但是由于渦管和管體的彎曲，管路必須連續(xù)變化寬度，這對于傳統(tǒng)制造方法來說是非常困難的。

圖片：帶隨形冷卻的設計

由于Amaero的引擎原型只需要幾個月的時間就可以完成，所以Amaero團隊有機會從根本上重新思考其設計方法。為此，他們創(chuàng)建了計算工具，使他們能夠快速迭代設計的基本方面，并快速融合到新設計解決方案中。 通過并行設計方法和一體化結構實現(xiàn)，可以大大縮短設計迭代時間，同時提高產(chǎn)品的整體性能。

創(chuàng)建了Amaero的aerospike引擎的團隊已經(jīng)組建了一個名為NextAero的新的合資企業(yè)來推進這項工作，關注未來在推進技術上的應用。與此同時，Jurg表示，Amaero正在使用其Aerospike“向那些不了解該過程的人展示增材制造的潛力，以及如何通過與AM設計師合作來構建具有更高性能水平的產(chǎn)品”。

值得一提的是，就在上周，當初Amaero項目的負責人澳大利亞工程院院士吳鑫華正式入聘上海理工大學。吳院士與澳大利亞科學院、工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰，美國科學院院士Rodney R. Boyer，美國工程院院士 James C. Williams 接受了上海理工大學的聘任，分別擔任上海理工大學的“增材制造國際實驗室”主任和方向帶頭人。

當然，并不意味著VentureStar計劃就此可以復興，概念原型與真實的火箭發(fā)動機尺寸之間還存在很大的區(qū)別。不過隨著增材制造走向大尺寸加工，或許VentureStar計劃復興的這一天會到來。

根據(jù)3D科學谷的市場研究，莫納什大學在航空航天增材制造領域有著多年的經(jīng)驗積累，其科研團隊和大學技術產(chǎn)業(yè)化的公司Amaero團隊，曾與法國宇航企業(yè)賽峰集團合作，開發(fā)了兩臺3D打印的噴氣式發(fā)動機，目前該發(fā)動機已經(jīng)進入到商業(yè)化階段。

除了在飛機發(fā)動機增材制造方面的研究，莫納什大學和Amaero團隊還與Betatype合作，通過Betatype點陣建模軟件平臺Engine-Platform 開發(fā)火箭發(fā)動機輕量化零件。

圖片：通過EOS M280 打印的火箭發(fā)動機輕量化零件概念原型，圖片來源：Betatype

在這個研究項目的最后一年，莫納什大學的團隊開發(fā)了一系列體現(xiàn)3D打印特點的概念性火箭零件，其中一個零件是火箭壁內(nèi)的帶有隨形冷卻夾芯結構的輕量化零件。

由于結構的設計至關重要，莫納什大學團隊自己開發(fā)了腳本指定零件中的微格結構，通過Engine-Platform軟件中開放的 Arch格式，研究團隊能夠避免因創(chuàng)建網(wǎng)格結構而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。軟件中抽象的算法，大大降低了CAD模型數(shù)據(jù)的復雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

在設計輕量化結構零件時，需要結合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。輕量化結構零件由基本結構、外形結構及超輕結構合成，在這個過程中，體現(xiàn)出設計能力的水平。

在國內(nèi)外的金屬3D打印企業(yè)中，英國雷尼紹、西安鉑力特等金屬3D打印企業(yè)也針對增材制造輕量化結構進行了大量探索，例如，鉑力特針對中空夾層、薄壁加筋，鏤空點陣，功能集成的一體化這四種典型的輕量化結構進行了探索，通過輕量化結構的設計和金屬3D打印設備為航空航天、汽車等機械輕量化零件的制造提供解決方案。在設計軟件領域，Altair的solidThinking Inspire 拓撲優(yōu)化軟件在設計輕量化3D打印零部件領域也有大量應用。

來源：3D科學谷