兩大技術將「提升」火箭發射業務

2020-12-06 人民網

原標題：兩大技術將「提升」火箭發射業務

　　BE-4發動機模型，它將用液化天然氣為火箭提供動力。

　　SuperDraco發動機在進行測試，其關鍵部件燃燒室是在3D印表機上完整列印出來的。

　　本報記者 劉 霞 綜合外電

　　不久前，美國太空探索技術公司（SpaceX）的火箭第一級成功降落在一艘海上無人船上，這是該公司乃至人類首次成功實現海上回收火箭。火箭回收實現了火箭發動機與導航系統這些昂貴設備的重複使用，能大大降低太空發射成本。

　　不僅如此，它還拉開了商業太空活動爆發式增長的序幕。據物理學家組織網報導，在2016年4月11日至14日於美國科羅拉多州斯普林斯舉行的第32屆航天研討會上，亞馬遜公司執行長兼私人太空公司「藍色起源（Blue Origin）」掌舵人傑夫·貝索斯表示，可重複使用火箭的問世可與網際網路和高速公路的出現相媲美。

　　物理學家組織網還報導稱，要想讓太空商業活動真正呈現出烈火烹油、鮮花著錦之勢，需要一個有力的支撐：削減發射成本，可重複利用火箭只是其中一部分。除此之外，還有兩大技術或是變革現有發射業務的關鍵。

　　液態甲烷供力：帶你耍酷帶你飛

　　一個是依靠甲烷飛行：「藍色起源」公司目前正在殫精竭慮研製的BE-4發動機將由液化天然氣這種新型燃料來為火箭提供動力。

　　當這款發動機完全研製成功時，液態氧和液化天然氣的分段燃燒有可能產生55萬磅的推力。「藍色起源」公司稱，這個發動機將在明年進行認證飛行，最早將於2019年起飛。

　　專家們稱，液化天然氣是甲烷的一種可商用形式，作為火箭燃料有幾大優勢。首先，其儲量豐富，容易獲得且成本低廉。加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程學教授安娜·卡拉貢茲安認為，甲烷非常乾淨，不太可能堵塞發動機內的燃油輸送管路，能大大減少麻煩的清潔工作（清潔微粒可使它更容易重複使用）。此外，這種氣體還能自動加壓，從而能消除對燃料箱增壓系統的需求。

　　史丹福大學航空航天學教授、美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心前負責人斯科特·哈伯德則說：「如果BE-4能使用液態天然氣，同時做到設計簡單可靠，容易製造，那麼它將有望改變這個行業的面貌。」

　　「藍色起源」公司正與阿羅吉特洛克達因（Aerojet Rocketdyne）公司競爭，為美國最大的軍事火箭供應商美國聯合發射聯盟（ULA）的「火神」（Vulcan）火箭研製發動機。

　　阿羅吉特公司正在著力研製一款液氧和煤油混合動力發動機AR1。據外媒報導，2015年12月18日，阿羅吉特公司宣布，其為ULA提供的AR1火箭發動機已通過關鍵設計評審。這意味著該公司得以繼續AR1火箭發動機的研發進程，確保能在2017年進行全面測試。AR1火箭發動機將取代目前ULA「阿特拉斯5」（Atlas V）運載火箭上使用的俄制RD-180發動機。AR1預計於2019年完成並且進行飛行認證。2015年年初，美國國會禁止美國空軍使用俄制RD-180發動機，要求到2019年之前，完全由美國自製的產品替代，並用於火箭發射，因此，各大航空航天公司均在各出奇招。

　　分析師們表示，這一競爭實質上就是成本與可靠性之間的競爭，阿羅吉特使用的傳統技術風險更低，但成本可能更高。

　　美國航空及國防諮詢公司Teal Group航天研究主管馬可·卡塞雷斯認為，阿羅吉特同「藍色起源」公司競爭可能比較吃力，後者的技術能顯著增加發動機的動力而不是重量，因此成本更低。

　　SpaceX也在研製一款液氧和甲烷分段燃燒的發動機「猛禽（Raptor）」，該公司總裁格溫勒·肖特韋爾去年在提交給美國眾議院軍事委員會的聲明中表示，這款發動機能應用於「地球軌道任務和地球軌道之外的任務」。該公司計劃前往火星可能也是其研製此款發動機的理由之一，就像SpaceX曾說，甲烷能在火星環境下合成。

　　3D列印：節省成本、加快進程

　　第二項技術是3D列印技術，它能顯著減少製造火箭零件的時間和成本。

　　SpaceX公司的「獵鷹9」號火箭發動機的氧化劑閥體（用於控制流入發動機的氧氣流）正是依靠3D列印技術在不到兩天時間內製造而成的，並於2014年跟著「獵鷹9」號發射升空。那是SpaceX公司第一次發射3D列印設備升空。該公司當時在博客中表示，一般而言，製造這一設備可能會耗費數月時間。

　　與傳統的鑄造零件相比，這個列印出來的閥體擁有「超好的強度、延展性以及抗折性能」。在經過嚴苛的測試比較之後，這個3D列印零件被證明合格，可與「獵鷹9」號上的鑄造零件交替使用。

　　或許是嘗到了甜頭，SpaceX對3D列印技術的倚重也與日俱增。2015年11月中旬，SpaceX宣布，其旗下的第二代龍飛船（Crew Dragon）配備的新型推進系統SuperDraco引擎完成設計測試階段。為了設計SuperDraco發動機，SpaceX引入了3D列印技術以降低成本，減少浪費，並使生產過程在總體上更靈活。該火箭發動機上的關鍵部件——燃燒室，就是在一臺EOS金屬3D印表機上完整列印出來的。該部件還使用了鉻鎳鐵超級合金以確保其具有優異的強度、延展性、抗斷裂性以及在材料性能上更低的變異性。

　　史丹福大學的哈伯德說：「我認為，長此以往，很多特定零件的成本可能會顯著降低，整個設備的成本也會因此大幅降低。」

　　美國亞利桑那州立大學的教授約翰·卡尼也認為，與傳統零件相比，通過3D列印技術製造的零件更輕，因此，能增加火箭的有效載荷，這些零件和其製造過程對執行深空探測任務非常重要。

(責編：馬麗、趙竹青)

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