资讯首页   焦点新闻   国内新闻    国际新闻   产经新闻    深度解读    技术前沿   航天政策法规     视频    

两大技术将“提升”火箭发射业务

时间:2016年05月09日 信息来源:科技日报 点击: 【字体:


4528679344917589990.jpg

  BE-4发动机模型,它将用液化天然气为火箭提供动力。


3877148171788428370.jpg

  SuperDraco发动机在进行测试,其关键部件燃烧室是在3D打印机上完整打印出来的。


不久前,美国太空探索技术公司(SpaceX)的火箭第一级成功降落在一艘海上无人船上,这是该公司乃至人类首次成功实现海上回收火箭。火箭回收实现了火箭发动机与导航系统这些昂贵设备的重复使用,能大大降低太空发射成本。


不仅如此,它还拉开了商业太空活动爆发式增长的序幕。据物理学家组织网报道,在2016年4月11日至14日于美国科罗拉多州斯普林斯举行的第32届航天研讨会上,亚马逊公司首席执行官兼私人太空公司“蓝色起源(Blue Origin)”掌舵人杰夫·贝索斯表示,可重复使用火箭的问世可与互联网和高速公路的出现相媲美。


物理学家组织网还报道称,要想让太空商业活动真正呈现出烈火烹油、鲜花着锦之势,需要一个有力的支撑:削减发射成本,可重复利用火箭只是其中一部分。除此之外,还有两大技术或是变革现有发射业务的关键。


液态甲烷供力:带你耍酷带你飞


一个是依靠甲烷飞行:“蓝色起源”公司目前正在殚精竭虑研制的BE-4发动机将由液化天然气这种新型燃料来为火箭提供动力。


当这款发动机完全研制成功时,液态氧和液化天然气的分段燃烧有可能产生55万磅的推力。“蓝色起源”公司称,这个发动机将在明年进行认证飞行,最早将于2019年起飞。


专家们称,液化天然气是甲烷的一种可商用形式,作为火箭燃料有几大优势。首先,其储量丰富,容易获得且成本低廉。加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程学教授安娜·卡拉贡兹安认为,甲烷非常干净,不太可能堵塞发动机内的燃油输送管路,能大大减少麻烦的清洁工作(清洁微粒可使它更容易重复使用)。此外,这种气体还能自动加压,从而能消除对燃料箱增压系统的需求。


斯坦福大学航空航天学教授、美国国家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心前负责人斯科特·哈伯德则说:“如果BE-4能使用液态天然气,同时做到设计简单可靠,容易制造,那么它将有望改变这个行业的面貌。”


“蓝色起源”公司正与阿罗吉特洛克达因(Aerojet Rocketdyne)公司竞争,为美国最大的军事火箭供应商美国联合发射联盟(ULA)的“火神”(Vulcan)火箭研制发动机。


阿罗吉特公司正在着力研制一款液氧和煤油混合动力发动机AR1。据外媒报道,2015年12月18日,阿罗吉特公司宣布,其为ULA提供的AR1火箭发动机已通过关键设计评审。这意味着该公司得以继续AR1火箭发动机的研发进程,确保能在2017年进行全面测试。AR1火箭发动机将取代目前ULA“阿特拉斯5”(Atlas V)运载火箭上使用的俄制RD-180发动机。AR1预计于2019年完成并且进行飞行认证。2015年年初,美国国会禁止美国空军使用俄制RD-180发动机,要求到2019年之前,完全由美国自制的产品替代,并用于火箭发射,因此,各大航空航天公司均在各出奇招。


分析师们表示,这一竞争实质上就是成本与可靠性之间的竞争,阿罗吉特使用的传统技术风险更低,但成本可能更高。


美国航空及国防咨询公司Teal Group航天研究主管马可·卡塞雷斯认为,阿罗吉特同“蓝色起源”公司竞争可能比较吃力,后者的技术能显著增加发动机的动力而不是重量,因此成本更低。


SpaceX也在研制一款液氧和甲烷分段燃烧的发动机“猛禽(Raptor)”,该公司总裁格温勒·肖特韦尔去年在提交给美国众议院军事委员会的声明中表示,这款发动机能应用于“地球轨道任务和地球轨道之外的任务”。该公司计划前往火星可能也是其研制此款发动机的理由之一,就像SpaceX曾说,甲烷能在火星环境下合成。


3D打印:节省成本、加快进程


第二项技术是3D打印技术,它能显著减少制造火箭零件的时间和成本。


SpaceX公司的“猎鹰9”号火箭发动机的氧化剂阀体(用于控制流入发动机的氧气流)正是依靠3D打印技术在不到两天时间内制造而成的,并于2014年跟着“猎鹰9”号发射升空。那是SpaceX公司第一次发射3D打印设备升空。该公司当时在博客中表示,一般而言,制造这一设备可能会耗费数月时间。


与传统的铸造零件相比,这个打印出来的阀体拥有“超好的强度、延展性以及抗折性能”。在经过严苛的测试比较之后,这个3D打印零件被证明合格,可与“猎鹰9”号上的铸造零件交替使用。


或许是尝到了甜头,SpaceX对3D打印技术的倚重也与日俱增。2015年11月中旬,SpaceX宣布,其旗下的第二代龙飞船(Crew Dragon)配备的新型推进系统SuperDraco引擎完成设计测试阶段。为了设计SuperDraco发动机,SpaceX引入了3D打印技术以降低成本,减少浪费,并使生产过程在总体上更灵活。该火箭发动机上的关键部件——燃烧室,就是在一台EOS金属3D打印机上完整打印出来的。该部件还使用了铬镍铁超级合金以确保其具有优异的强度、延展性、抗断裂性以及在材料性能上更低的变异性。


斯坦福大学的哈伯德说:“我认为,长此以往,很多特定零件的成本可能会显著降低,整个设备的成本也会因此大幅降低。”


美国亚利桑那州立大学的教授约翰·卡尼也认为,与传统零件相比,通过3D打印技术制造的零件更轻,因此,能增加火箭的有效载荷,这些零件和其制造过程对执行深空探测任务非常重要。


(作者:刘 霞)
返回顶部