號稱能節省30%燃料的3D打印火箭引擎
時間：2020-02-22 17:35 來源：3D打印火箭引擎 作者：中國3D打印網 閱讀：次
來自德國德勒斯登Fraunhofer材料暨光束技術研究所(Institute for Material and Beam
Technology，簡稱Fraunhofer IWS)，以及德勒斯登工業大學(TU
Dresden)航天工程研究所的研究人員，以3D打印技術打造了新式火箭引擎，配備了微型發射器使用之氣尖噴嘴(aerospike
nozzle)，能用以將小型衛星送上太空；研究團隊已經制作出按比例縮放的引擎原型，預期這種引擎消耗的燃料能比傳統引擎減少30%。
該研究團隊表示，小型衛星市場呈現成長態勢，根據市場研究機構Allied Market Research的估計，該市場可從2018年的36億美元，在2026年達到157億美元的規模，期間復合年平均成長率(CAGR)為20.1%。小型衛星的重量通常低于500公斤，其市場成長動力來自于農業、能源、土木工程、石油與天然氣等產業對地球觀測服務的需求。
英國打算在蘇格蘭興建一個太空港──這會是歐洲的首個太空港，而德國工業聯盟(Federation of German Industries，BDI)也支持建立一個國家太空港，設置將研究設備與小型微星送上太空的中、小型發射器平臺；這種小型發射器的酬載重量可達350公斤。
上述的Allied Market Research研究報告指出，與傳統衛星相較，小型衛星的開發周期較短，所需開發團隊規模也比較小，制造與發射成本也因此降低；但一個可能阻礙小型衛星市場成長的因素是──缺乏專用發射器。
德國的研究人員們相信，氣尖引擎能讓微型發射器更節省能源；經過了兩年的努力，他們在德國聯邦教育暨科研部(German Federal Ministry of Education and Research，BMBF)的贊助下，成功制作并測試了氣尖引擎，預期燃料消耗量遠低于傳統火箭引擎。
其研發成果的獨特之處，在于燃料噴射器、燃燒室以及噴嘴都是利用稱為「雷射粉床熔融」(laser powder bed fusion，L-PBF)的積層制造技術一層一層印出來的；研究人員表示：「噴嘴是以尖狀的中心體組成，這種設計是為了加速燃燒氣體�！�
由Fraunhofer IWS與TU Dresden聯合營運的德勒斯登積層制造中心(Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)科學助理Michael Muller表示，氣尖引擎技術可回溯到1960年代，而現在他們是將積層制造導入傳統制程，催生更高效率的引擎。
研究人員表示，氣尖噴嘴「能在從地球發射至太空軌道的過程中，更良好適應氣壓變化，并因此使其更具效率，燃料消耗量能比傳統引擎更低；」消耗的燃料更少，意味著整體系統的重量能進一步減輕，并且讓酬載量更大。
為了實現以積層制造技術──也就是3D打印──設計與制作的火箭引擎，項目團隊中的TU Dresden航天專家負責為引擎畫設計圖，Fraunhofer IWS研究人員則進行制造與材料的驗證；該團隊的第一步是讓設計能適應積層制造程序，然后是材料的選擇與特征化。接下來他們以L-PBF技術制作了引擎的兩個零件，并對其表面功能進行二次加工，用雷射焊接將零件結合；再用計算機斷層掃瞄來檢查孔洞或其他缺陷，以確保燒結粉末不會阻塞冷卻通道。
研究人員決定以積層制造技術制作金屬火箭，是因為這種火箭需要優異的冷卻以及內部冷卻通道。「這種復雜的再生冷卻系統具備如迷宮般的內部管道，無法以傳統方法銑磨鑄造；」
Fraunhofer IWS的3D制造部門經理Mirco Riede表示：「藉由一層層熔化粉末，這種選擇性的雷射熔融技術能逐漸形成具備1mm寬度冷卻信道的零件。」他接著指出：「冷卻通道沿著燃燒室的輪廓，內部殘留的粉末會被清干凈；這種金屬必須滿足嚴格的要求，在高溫下仍維持固態與良好的導熱性，以確保最佳冷卻效果�！�
研究團隊制作的氣尖引擎原型已經過TU Dresden航天工程研究所的實驗室測試，達到30秒的點火時間(burn time)；Muller表示，這證明了使用積層制造技術能成功打造出可用的液體推進噴射引擎。目前研究人員正在研究如何進一步提升該噴射系統的引擎效率，于2020年1月啟動了名為CFDμSAT的新項目，并與歐洲火箭開發商Ariane Group以及德國大廠西門子(Siemens)結為伙伴。
該研究團隊表示，小型衛星市場呈現成長態勢，根據市場研究機構Allied Market Research的估計，該市場可從2018年的36億美元，在2026年達到157億美元的規模，期間復合年平均成長率(CAGR)為20.1%。小型衛星的重量通常低于500公斤，其市場成長動力來自于農業、能源、土木工程、石油與天然氣等產業對地球觀測服務的需求。
英國打算在蘇格蘭興建一個太空港──這會是歐洲的首個太空港，而德國工業聯盟(Federation of German Industries，BDI)也支持建立一個國家太空港，設置將研究設備與小型微星送上太空的中、小型發射器平臺；這種小型發射器的酬載重量可達350公斤。
上述的Allied Market Research研究報告指出，與傳統衛星相較，小型衛星的開發周期較短，所需開發團隊規模也比較小，制造與發射成本也因此降低；但一個可能阻礙小型衛星市場成長的因素是──缺乏專用發射器。
德國的研究人員們相信，氣尖引擎能讓微型發射器更節省能源；經過了兩年的努力，他們在德國聯邦教育暨科研部(German Federal Ministry of Education and Research，BMBF)的贊助下，成功制作并測試了氣尖引擎，預期燃料消耗量遠低于傳統火箭引擎。
其研發成果的獨特之處，在于燃料噴射器、燃燒室以及噴嘴都是利用稱為「雷射粉床熔融」(laser powder bed fusion，L-PBF)的積層制造技術一層一層印出來的；研究人員表示：「噴嘴是以尖狀的中心體組成，這種設計是為了加速燃燒氣體�！�
由Fraunhofer IWS與TU Dresden聯合營運的德勒斯登積層制造中心(Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)科學助理Michael Muller表示，氣尖引擎技術可回溯到1960年代，而現在他們是將積層制造導入傳統制程，催生更高效率的引擎。
研究人員表示，氣尖噴嘴「能在從地球發射至太空軌道的過程中，更良好適應氣壓變化，并因此使其更具效率，燃料消耗量能比傳統引擎更低；」消耗的燃料更少，意味著整體系統的重量能進一步減輕，并且讓酬載量更大。
為了實現以積層制造技術──也就是3D打印──設計與制作的火箭引擎，項目團隊中的TU Dresden航天專家負責為引擎畫設計圖，Fraunhofer IWS研究人員則進行制造與材料的驗證；該團隊的第一步是讓設計能適應積層制造程序，然后是材料的選擇與特征化。接下來他們以L-PBF技術制作了引擎的兩個零件，并對其表面功能進行二次加工，用雷射焊接將零件結合；再用計算機斷層掃瞄來檢查孔洞或其他缺陷，以確保燒結粉末不會阻塞冷卻通道。
研究人員決定以積層制造技術制作金屬火箭，是因為這種火箭需要優異的冷卻以及內部冷卻通道。「這種復雜的再生冷卻系統具備如迷宮般的內部管道，無法以傳統方法銑磨鑄造；」
Fraunhofer IWS的3D制造部門經理Mirco Riede表示：「藉由一層層熔化粉末，這種選擇性的雷射熔融技術能逐漸形成具備1mm寬度冷卻信道的零件。」他接著指出：「冷卻通道沿著燃燒室的輪廓，內部殘留的粉末會被清干凈；這種金屬必須滿足嚴格的要求，在高溫下仍維持固態與良好的導熱性，以確保最佳冷卻效果�！�
研究團隊制作的氣尖引擎原型已經過TU Dresden航天工程研究所的實驗室測試，達到30秒的點火時間(burn time)；Muller表示，這證明了使用積層制造技術能成功打造出可用的液體推進噴射引擎。目前研究人員正在研究如何進一步提升該噴射系統的引擎效率，于2020年1月啟動了名為CFDμSAT的新項目，并與歐洲火箭開發商Ariane Group以及德國大廠西門子(Siemens)結為伙伴。
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