“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(xué)的Amaero項目成員、預(yù)備博士生Marten Jurg表示，增材制造帶來的設(shè)計自由度可以有力的實現(xiàn)Aerospike發(fā)動機所需的技術(shù)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(xué)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(wù)對于推力都是最大的需求。

圖片：Aerospike與傳統(tǒng)發(fā)動機的設(shè)計區(qū)別

Aerospike排氣歧管的設(shè)計與傳統(tǒng)的鐘形火箭基本上是相反的。當(dāng)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(dāng)點火發(fā)射的時候效率最高，隨后當(dāng)火箭向上攀升的時候，推力開始減弱。而Aerospike結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的基準(zhǔn)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(jìn)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(fù)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(dāng)NASA在2001年3月宣布該計劃正式宣告失效時，當(dāng)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(xiàn)了3.57億美元。

Aerospike結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)制造技術(shù)很難構(gòu)建，通過3D打印技術(shù)，可以創(chuàng)造復(fù)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(shù)可以得到有效的解決。

Amaero團隊從一開始就圍繞增材制造設(shè)計理念設(shè)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(jìn)行加工時，關(guān)于構(gòu)建腔體尺寸約束、零件尺寸、材料性能以及零件設(shè)計的角度、厚度和布局等關(guān)鍵參數(shù)均已考慮在內(nèi)，這些參數(shù)的設(shè)置是結(jié)合了該團隊在使用選擇性激光熔融技術(shù)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(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計的基本方面，并快速融合到新設(shè)計解決方案中。 通過并行設(shè)計方法和一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，可以大大縮短設(shè)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(jìn)這項工作，關(guān)注未來在推進(jìn)技術(shù)上的應(yīng)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(shè)計師合作來構(gòu)建具有更高性能水平的產(chǎn)品”。

值得一提的是，就在上周，當(dāng)初Amaero項目的負(fù)責(zé)人澳大利亞工程院院士吳鑫華正式入聘上海理工大學(xué)。吳院士與澳大利亞科學(xué)院、工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰，美國科學(xué)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(xué)的聘任，分別擔(dān)任上海理工大學(xué)的“增材制造國際實驗室”主任和方向帶頭人。

當(dāng)然，并不意味著VentureStar計劃就此可以復(fù)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(fù)興的這一天會到來。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，莫納什大學(xué)在航空航天增材制造領(lǐng)域有著多年的經(jīng)驗積累，其科研團隊和大學(xué)技術(shù)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(jìn)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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)的輕量化零件。

由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要，莫納什大學(xué)團隊自己開發(fā)了腳本指定零件中的微格結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(fù)雜度，使得模型數(shù)據(jù)更容易管理。

在設(shè)計輕量化結(jié)構(gòu)零件時，需要結(jié)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(jié)構(gòu)零件由基本結(jié)構(gòu)、外形結(jié)構(gòu)及超輕結(jié)構(gòu)合成，在這個過程中，體現(xiàn)出設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，通過輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計和金屬3D打印設(shè)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(shè)計軟件領(lǐng)域，Altair的solidThinking Inspire 拓?fù)鋬?yōu)化軟件在設(shè)計輕量化3D打印零部件領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。

來源：3D科學(xué)谷