3D打印Aerospike發(fā)動機在MIRA II太空飛機上完成測試

2024年12月15日，南極熊獲悉，德國航空航天初創(chuàng)公司POLARIS Spaceplanes已成功完成氣動尖峰驅(qū)動的 MIRA II 演示機的滾動和飛行測試。這架五​​米長的原型機采用 POLARIS 的 3D 打印 AS-1 線性氣動尖峰火箭發(fā)動機。MIRA II 是全尺寸 AURORA 太空飛機的墊腳石，飛機將于 2028 年開始飛行運營。  

MIRA II 是在最初的 MIRA 演示機于 2024 年 5 月首次飛行嘗試中墜毀后開發(fā)的。此后，新系統(tǒng)在跑道上完成了三秒鐘的發(fā)動機燃燒，然后在波羅的海上空成功進行了飛行測試。

無人駕駛演示機使用四臺渦輪噴氣發(fā)動機從佩內(nèi)明德機場起飛。到達點火點后，MIRA II 完成了 1 kN LOX/煤油 AS-1 氣動尖峰發(fā)動機的三秒燃燒，實現(xiàn)了 4 m/s² 的加速度和 900 牛頓的推力。

這是線性氣動尖峰發(fā)動機的首次飛行測試，對于這家位于Bremen的初創(chuàng)企業(yè)來說是一個重要的里程碑。

△POLARIS Spaceplanes 未來氣動推進器的數(shù)字渲染圖。圖片來自POLARIS Spaceplanes。

3D 打印為 POLARIS 的氣動尖峰太空飛機提供動力

與采用鐘形噴嘴的傳統(tǒng)火箭發(fā)動機不同，Aerospike 發(fā)動機采用楔形“尖刺”來控制廢氣。這種創(chuàng)新設(shè)計無需固定噴嘴，從而減輕了重量，提高了效率，并能夠在不同高度持續(xù)調(diào)整推力。

這些新型發(fā)動機在飛行過程中會產(chǎn)生極端溫度，需要大量復雜而精密的冷卻管道。這種復雜性促使 POLARIS Spaceplanes 等氣動尖峰式發(fā)動機開發(fā)商在設(shè)計和生產(chǎn)中利用增材制造技術(shù)。

去年，POLARIS公司從德國增材制造公司AM Global 獲得了兩臺 3D 打印的 AS-1 氣動塞式發(fā)動機。雖然這些初始發(fā)動機用于地面測試，但 AM Global 還為 MIRA 演示機 3D 打印了兩臺更輕的飛行測試發(fā)動機。   

在飛行三秒的燃燒過程中，MIRA II 的發(fā)動機在較低的燃燒室內(nèi)壓力下運行，以實現(xiàn)富燃料燃燒。據(jù)報道，這讓 POLARIS 的工程師能夠在發(fā)動機部件承受最小壓力的同時收集性能數(shù)據(jù)。MIRA II的機載攝像頭發(fā)現(xiàn) LOX 儲罐艙內(nèi)有一個小泄漏，導致檢修艙在三秒的發(fā)動機燃燒過程中丟失。盡管如此，公司報告聲稱演示機安全著陸，成功完成了試飛。

展望未來，POLARIS 將通過密集的飛行測試計劃進一步測試和驗證 3D 打印氣動塞式發(fā)動機的飛行運行能力。

POLARIS 還將努力啟動演示機的孿生發(fā)動機 MIRA III，以創(chuàng)造冗余并提高測試靈活性。隨著測試的進展，該公司將逐步增加發(fā)動機室壓力，以優(yōu)化燃燒效率和推力。

從 MIRA 的更多測試中得到的經(jīng)驗將用于該公司的下一代太空飛機演示器 NOVA。據(jù)報道，這架測試飛機的長度將在 7 到 8 米之間，是全尺寸 AURORA 飛行器問世前的最后一步。

△POLARIS 太空飛機的 MIRA II 演示模型。照片來自 POLARIS 太空飛機。

3D 打印氣動塞式發(fā)動機

自 20 世紀 50 年代以來，人們一直認為 Aerospike 發(fā)動機比傳統(tǒng)火箭發(fā)動機具有顯著優(yōu)勢。近年來，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展釋放了更高效制造這些先進推進系統(tǒng)所需的設(shè)計自由度。

△Aerospike 發(fā)動機設(shè)計。圖片來源：莫納什大學

2017 年，莫納什大學、Amaero（莫納什的一個分支機構(gòu)）、Next Aero和WoodsideEnergy合作制造并測試了3D 打印的氣動尖峰發(fā)動機“ProjectX” 。這款發(fā)動機僅用了四個月的時間就完成了設(shè)計和制造。

△使用 SLM（延時攝影）進行 3D 打印組件。圖片來源：莫納什大學，GIF 由 Rushabh Haria 提供

“Hasteloy X”是一種高強度鎳基高溫合金，采用選擇性激光熔化 (SLM) 技術(shù)在EOS M280 3D 金屬打印機上增材制造而成。據(jù)項目負責人 Graham Bell 介紹，3D 打印使團隊能夠?qū)崿F(xiàn)獨特的設(shè)計功能，例如“噴嘴幾何形狀”和“嵌入式冷卻網(wǎng)絡(luò)”。增材制造使團隊能夠創(chuàng)建和 3D 打印復雜的設(shè)計，這些設(shè)計可以在幾天內(nèi)進行測試、調(diào)整和重新打印，而傳統(tǒng)生產(chǎn)方法則需要幾個月的時間。

兩年后，弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所 IWS和德累斯頓工業(yè)大學航空航天工程研究所 (ILR)合作，利用 3D 打印技術(shù)推進氣動尖峰發(fā)動機的設(shè)計。該團隊生產(chǎn)了一臺 3D 打印的氣動尖峰發(fā)動機，推力為 500 牛頓。然而，在測試過程中，它遇到了冷卻系統(tǒng)和燃油噴射問題。

2022 年，工程設(shè)計軟件專家Hyperganic制造了據(jù)稱是世界上最大的 3D 打印氣尖發(fā)動機。這家總部位于慕尼黑的公司生成了數(shù)百種可行設(shè)計，其中一種是在EOS M 400-4 系統(tǒng)上使用 Inconel 718 進行 3D 打印的，沒有支撐結(jié)構(gòu)。然后使用 AI 算法在更大的AMCM M 4K 3D 打印機上使用 CuCrZr 自動重新設(shè)計要 3D 打印的部件。  

△AMCM和 Hyperganic 3D 打印的 Aerospike 發(fā)動機。照片由 Michael Petch 拍攝。