3D打印技术助力开启民营航空

自从SpaceX首次亮相以来，私人太空发射业已大大扩展，但是某些市场（例如印度）现在才获得监管支持，现在，这些障碍正在逐渐消除，印度私人发射初创公司Skyroot正在飞跃成为该国第一家私人航天运载火箭制造商，并通过一项新的成功的上级发动机燃烧测试取得了重大技术进步。近日，Skyroot 成功地测试了装有带100％3D打印喷油器的火箭发动机，火箭发动机是配置在其Vikram I运载火箭上的。

3D打印助力开启民营航空

据悉，Skyroot成立于两年前，其团队由之前曾在印度空间研究组织（ISRO）工作过的火箭工程师组成，到目前为止，这家初创公司已经筹集了430万美元，其中包括来自太空和国防承包商Solar Industries的融资，目前正在重新进行融资流程，计划在2021年之前再获得1500万美元的投资。

3D打印搭建竞争优势

在技术方面，Skyroot目前专注于开发其首款Vikram I运载火箭，3D打印也是Skyroot整体火箭制造技术的关键部分，Skyroot公司称通过3D打印技术可将发动机质量降低50%，并减少其构造所需的零部件，且将其生产的交货时间缩短了80%。Skyroot下一步将对正在研发的火箭的两个完整阶段进行试射，该公司还同时在开发下一代运载火箭Vikram-2和Vikram-3，这些运载火箭将在2022年至2023年之间的某个时间点问世，并与现有的更大的拼车式火箭具有成本竞争力。

这款名为“拉曼”的发动机可以将多颗卫星送入轨道。拉曼发动机由UDMH和NTO液体燃料提供动力，由4个发动机组成的发动机组合产生3.4kN的推力，拉曼发动机是四级火箭Vikram I的最后一级。VikramI将由3级固体燃料发动机提供动力，而目前已测试的最后一级是液体燃料发动机。这是印度首款100％3D打印的双推进剂液体火箭发动机喷油器。与传统制造相比，该引擎能够多次重启，使他们能够在一次任务中将各种卫星插入多个轨道。

关于通过3D打印技术制造3D打印注射器，除金属外，Skyroot还在3D打印过程中使用特殊材料，Skyroot期待将3D打印应用到Vikram-2火箭中。Skyroot已经开发了用于运载火箭制导、导航和控制功能的内部软件，并且正在进行机载航空电子模块的测试，Skyroot的目标是它的首枚运载火箭于2021年12月发射，并将多颗卫星插入太空。

油气混合，3D打印来解决

在液氧/煤油发动机喷油器部件方面，早在2018年，德国航天中心DLR与3D Systems客户创新中心CIC合作，设计了一个3D打印喷射器，以此来实现新性能。火箭发动机的喷射器是燃料和氧化剂进入燃烧室的部分。成功的液体火箭燃料喷射器以特定方式推动部件，确保其雾化和适当混合，产生移动火箭所需的燃烧。通过使用金属3D打印，航空航天中心能够彻底改变同轴喷射器的设计方法，无需多个组件，显著降低生产时间和成本。零件数量从30减少到1有助于最终减重10%，并消除了紧固处已知的故障点，有利于减少相关的质量管控措施，提升了系统性能。

德国航天中心火箭喷油器的最终部件通过3D Systems的金属打印机ProX DMP 320进行打印，使用的材料是LaserForm® Ni718 （A），一种抗氧化和耐腐蚀的铬镍铁合金。这种材料具有良好的抗拉强度、耐疲劳性、抗蠕变性和持久强度，即使温度达到700˚c，是高温应用的理想选择。金属3D打印帮助航空航天中心采用同轴喷射技术和双旋流喷射器元件，优化喷射头的氧化剂和燃料混合。采用了两种不同的冷却方案，每一种都采用最小特征尺寸为0.2毫米、最大长度/直径比为45的细通道。该设计还集成了喷射头的铺膜特性，使工程师能够直接调整喷油器处的膜质量流量。

航天中心通过直接将冷却剂分配系统与喷射器集成，使性能有所提升，工程师能够实施并独立控制壁面发汗和气膜冷却技术。当在喷射器内使用时，在燃烧室内热的一侧形成冷却剂膜，以保护壁面结构不受高热通量的影响。这种系统被认为比传统的再生冷却更容易制造和经济。与陶瓷纤维基复合材料（CMCS）等复杂的陶瓷材料结合一起，航天中心和3D Systems开发的设计和制造方法有可能支持为了喷射头开发的结构和系统被多次重复使用，并将技术转移到其他应用中。为了简化理解3D打印在动力零件的应用逻辑，可以把动力装备的发展要求概括为亮点：爆发力强、安全性高。而3D打印释放了设计与制造的自由度，通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；另一方面，通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。

本文中所提到的喷油器，正是利用了3D打印成就复杂设计的特点，成就更强健的火箭发动机。
责任编辑：tzh