衛(wèi)星小型化已成為一種行業(yè)趨勢。未來，小衛(wèi)星將發(fā)揮越來越重要的作用，并向?qū)嵱没I(yè)務(wù)化發(fā)展，在通信、對地觀測、空間科學(xué)、技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用能力進(jìn)一步提升。2018年至2022年間，全球發(fā)射的微小衛(wèi)星數(shù)量將從263顆上升到460顆。預(yù)計(jì)2022年全球500kg以下小衛(wèi)星市場將達(dá)71.79億美元。[1]
針對小衛(wèi)星發(fā)射的發(fā)射器研發(fā)也隨之活躍，NSR報(bào)告顯示，中國計(jì)劃在未來10年內(nèi)引領(lǐng)專門用于小衛(wèi)星發(fā)射器的制造和小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，國內(nèi)政策的支持是該計(jì)劃的部分推動力。[2]
小衛(wèi)星發(fā)射器制造領(lǐng)域?qū)τ?D打印技術(shù)的應(yīng)用也頗為活躍。近日，德國Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一種增材制造-3D打印塞式噴管發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)用于微型衛(wèi)星發(fā)射器，其有效載荷可達(dá)350公斤。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這款發(fā)動機(jī)在輕量化和燃料節(jié)省方面具有明顯優(yōu)勢。
這款塞式噴管發(fā)動機(jī)，是由 Fraunhofer IWS和德累斯頓工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的。發(fā)動機(jī)中的燃油噴射器、燃燒室和噴管是采用粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術(shù)制造的。噴管由尖峰狀中心體組成, 該設(shè)計(jì)旨在加速氣體燃燒。
德累斯頓工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì), Fraunhofer IWS 負(fù)責(zé)制造和材料驗(yàn)證。研究團(tuán)隊(duì)的第一步是優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之適合增材制造技術(shù)。然后，進(jìn)行打印材料選擇和表征。接下來，使用粉末床選區(qū)激光熔化技術(shù)（L-PBF）制造發(fā)動機(jī)的兩個組件，并對3D打印組件的功能表面進(jìn)行了重新加工，然后將兩個組件通過激光焊接連接在一起。研究團(tuán)隊(duì)采用的質(zhì)量檢測方式是計(jì)算機(jī)斷層掃描，通過這種無損檢測方式檢查氣孔和其他缺陷，并確定冷卻通道是否被殘余打印粉末所阻塞。
根據(jù)Fraunhofer IWS ，3D打印塞式噴管發(fā)動機(jī)有望比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)節(jié)省約30％的燃料。主要得益于兩個方面的原因，一方面是設(shè)計(jì)上的緊湊性，使得整個發(fā)動機(jī)的重量減輕，而每一克重量的減輕，都對航天器具有重要意義，因?yàn)檫@意味著所需的發(fā)射燃料減少和有效載荷的提高。此外，3D打印的噴管，更好地適應(yīng)了從地球到軌道的不斷變化的壓力，有助于提高效率，與常規(guī)發(fā)動機(jī)相比，燃燒的燃料更少。
發(fā)動機(jī)對冷卻性能的要求很高，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了帶有復(fù)雜內(nèi)部管道的冷卻系統(tǒng)，而由于復(fù)雜性高，該結(jié)構(gòu)無法通過傳統(tǒng)的銑削或鑄造技術(shù)實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)采用的選區(qū)激光熔化設(shè)備，可以制造出具有一毫米寬冷卻通道的部件，該通道是遵循燃燒室的輪廓設(shè)計(jì)的隨形冷卻通道。打印完成后，需要吸干過程中所殘留在通道中的金屬粉末。
燃燒室中普遍存在幾千攝氏度的高溫，噴管的制造材料必須滿足苛刻的要求，在高溫下保持固態(tài)，并且導(dǎo)熱良好，以確保最佳的冷卻效果。Fraunhofer IWS 此次并未透露使用的打印材料。
研究團(tuán)隊(duì)仍在優(yōu)化發(fā)動機(jī)的噴射系統(tǒng)，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)效率，與之相關(guān)的項(xiàng)目名為CFDμSAT，該項(xiàng)目其2020年1月開始，是與阿麗亞娜集團(tuán)和西門子合作的。
噴油器的設(shè)計(jì)和制造是CFDμSAT項(xiàng)目中的主要挑戰(zhàn)。發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時，燃料將首先用于冷卻發(fā)動機(jī)，當(dāng)它們變熱之后，被引入燃燒室。在液態(tài)氧和乙醇分別被添加進(jìn)來之后，通過噴油器進(jìn)行混合。點(diǎn)燃后的混合氣體，在燃燒室中膨脹，然后流過燃燒室中的間隙，由噴管進(jìn)行減壓和加速。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對這一3D打印塞式噴管發(fā)動機(jī)原型進(jìn)行了熱火實(shí)驗(yàn)，燃燒時間達(dá)到了30秒。
參考資料：
[1] 智研咨詢，《2020-2026年中國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢及未來前景分析報(bào)告》；
[2] 航天長城-中國長城工業(yè)集團(tuán) 《NSR｜小衛(wèi)星發(fā)射市場的形勢》。
文章源于 3D科學(xué)谷
如有侵權(quán)，請及時聯(lián)系刪除
郵箱： wangli@keyscien.com
電話：13206432890
13206432890
高經(jīng)理
