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新一代航天飞机使用金属3D打印制造复杂的喷射器

童程童美 2016-10-26

英国Reaction Engines公司从1989年起就致力于打造一款名为SABRE的吸气式火箭发动机。这种发动机可以使航天器达到五倍的声速,而容易让它们无需脱离火箭即可突破轨道。金属3D打印技术在Reaction Engines公司的火箭研发工作中起到了关键作用。

摘要

英国Reaction Engines公司从1989年起就致力于打造一款名为SABRE的吸气式火箭发动机。这种发动机可以使航天器达到五倍的声速,而容易让它们无需脱离火箭即可突破轨道。金属3D打印技术在Reaction Engines公司的火箭研发工作中起到了关键作用。

新一代航天飞机使用金属3D打印制造复杂的喷射器

SABRE发动机是Reaction Engines公司同时在开发的“单级入轨云霄塔(Skylon)航天飞机的核心零部件。云霄塔航天飞机将可以从传统的机场跑道自行发射进入太空。SABRE发动机通过从大气中吸入氧气将飞机的速度推升至5.4马赫(超过6000公里/小时),然后切换至氢燃料并使用内置的液氧。为了使发动机能够在极端的大气条件下工作,它需要能够在不到百分之一秒的时间里将吸入发动机的空气流从超过1000℃降低到零下150℃。如今它做到了这一点,而且发动机因此而增加的重量微乎其微。

新一代航天飞机使用金属3D打印制造复杂的喷射器

那么,金属3D打印技术在SABRE发动机的过程中起到了什么作用呢?SABRE发动机的原理是,需要一个能够将精确混合的水和甲醇混合物通过特定点喷射到空气通路上的推进剂喷射器系统。从而迫使水蒸发并将快速冷却空气。这样的喷射器形状非常复杂,对轻量化的要求极高,用传统的加工方式无法做到。为了使航天飞机拥有足够摆脱地球引力的能力,发动机以及其他零部件都要尽可能的轻量化。而金属3D打印技术可以制造出符合要求的喷射器。

Reaction Engines目前,并成功已进入测试阶段。21015年春天在初期试验阶段,已经成功地点火了15次。用于测试的发动机上安装的喷射器正式用金属3D打印机制造的。目前开发团队正把通过这些成功测试收集到的数据用于验证其内部的计算模型,并进一步改进了其先进的喷嘴设计。

这款实验发动机(指STOIC)是取得成功的关键一步。使用它来测试SABRE发动机在使用时其3D打印的喷嘴所能表现出来的空气动力学和性能。尽管比真正的SABRE机小得多,这款测试发动机仍是近三十多年中在该研发团队测试的最大的双推进剂发动机。