3D打印Aerospike發動機在MIRA II太空飛機上完成測試
時間：2024-12-16 09:13 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年12月15日，德國航空航天初創公司POLARIS Spaceplanes已成功完成氣動尖峰驅動的 MIRA II 演示機的滾動和飛行測試。這架五米長的原型機采用 POLARIS 的 3D 打印 AS-1 線性氣動尖峰火箭發動機。MIRA II 是全尺寸 AURORA 太空飛機的墊腳石，飛機將于 2028 年開始飛行運營。
MIRA II 是在最初的 MIRA 演示機于 2024 年 5 月首次飛行嘗試中墜毀后開發的。此后，新系統在跑道上完成了三秒鐘的發動機燃燒，然后在波羅的海上空成功進行了飛行測試。無人駕駛演示機使用四臺渦輪噴氣發動機從佩內明德機場起飛。到達點火點后，MIRA II 完成了 1 kN LOX/煤油 AS-1 氣動尖峰發動機的三秒燃燒，實現了 4 m/s² 的加速度和 900 牛頓的推力。這是線性氣動尖峰發動機的首次飛行測試，對于這家位于Bremen的初創企業來說是一個重要的里程碑。
△POLARIS Spaceplanes 未來氣動推進器的數字渲染圖。圖片來自POLARIS Spaceplanes。
3D 打印為 POLARIS 的氣動尖峰太空飛機提供動力
與采用鐘形噴嘴的傳統火箭發動機不同，Aerospike 發動機采用楔形“尖刺”來控制廢氣。這種創新設計無需固定噴嘴，從而減輕了重量，提高了效率，并能夠在不同高度持續調整推力。
這些新型發動機在飛行過程中會產生極端溫度，需要大量復雜而精密的冷卻管道。這種復雜性促使 POLARIS Spaceplanes 等氣動尖峰式發動機開發商在設計和生產中利用增材制造技術。
去年，POLARIS公司從德國增材制造公司AM Global 獲得了兩臺 3D 打印的 AS-1 氣動塞式發動機。雖然這些初始發動機用于地面測試，但 AM Global 還為 MIRA 演示機 3D 打印了兩臺更輕的飛行測試發動機。
在飛行三秒的燃燒過程中，MIRA II 的發動機在較低的燃燒室內壓力下運行，以實現富燃料燃燒。據報道，這讓 POLARIS 的工程師能夠在發動機部件承受最小壓力的同時收集性能數據。MIRA II的機載攝像頭發現 LOX 儲罐艙內有一個小泄漏，導致檢修艙在三秒的發動機燃燒過程中丟失。盡管如此，公司報告聲稱演示機安全著陸，成功完成了試飛。
展望未來，POLARIS 將通過密集的飛行測試計劃進一步測試和驗證 3D 打印氣動塞式發動機的飛行運行能力。
POLARIS 還將努力啟動演示機的孿生發動機 MIRA III，以創造冗余并提高測試靈活性。隨著測試的進展，該公司將逐步增加發動機室壓力，以優化燃燒效率和推力。
從 MIRA 的更多測試中得到的經驗將用于該公司的下一代太空飛機演示器 NOVA。據報道，這架測試飛機的長度將在 7 到 8 米之間，是全尺寸 AURORA 飛行器問世前的最后一步。
△POLARIS 太空飛機的 MIRA II 演示模型。照片來自 POLARIS 太空飛機。
3D 打印氣動塞式發動機
自 20 世紀 50 年代以來，人們一直認為 Aerospike 發動機比傳統火箭發動機具有顯著優勢。近年來，金屬增材制造技術的發展釋放了更高效制造這些先進推進系統所需的設計自由度。
△Aerospike 發動機設計。圖片來源：莫納什大學
2017 年，莫納什大學、Amaero（莫納什的一個分支機構）、Next Aero和WoodsideEnergy合作制造并測試了3D 打印的氣動尖峰發動機“ProjectX” 。這款發動機僅用了四個月的時間就完成了設計和制造。
△使用 SLM（延時攝影）進行 3D 打印組件。圖片來源：莫納什大學，GIF 由 Rushabh Haria 提供
“Hasteloy X”是一種高強度鎳基高溫合金，采用選擇性激光熔化 (SLM) 技術在EOS M280 3D 金屬打印機上增材制造而成。據項目負責人 Graham Bell 介紹，3D 打印使團隊能夠實現獨特的設計功能，例如“噴嘴幾何形狀”和“嵌入式冷卻網絡”。增材制造使團隊能夠創建和 3D 打印復雜的設計，這些設計可以在幾天內進行測試、調整和重新打印，而傳統生產方法則需要幾個月的時間。
兩年后，弗勞恩霍夫材料與光束技術研究所 IWS和德累斯頓工業大學航空航天工程研究所 (ILR)合作，利用 3D 打印技術推進氣動尖峰發動機的設計。該團隊生產了一臺 3D 打印的氣動尖峰發動機，推力為 500 牛頓。然而，在測試過程中，它遇到了冷卻系統和燃油噴射問題。
2022 年，工程設計軟件專家Hyperganic制造了據稱是世界上最大的 3D 打印氣尖發動機。這家總部位于慕尼黑的公司生成了數百種可行設計，其中一種是在EOS M 400-4 系統上使用 Inconel 718 進行 3D 打印的，沒有支撐結構。然后使用 AI 算法在更大的AMCM M 4K 3D 打印機上使用 CuCrZr 自動重新設計要 3D 打印的部件。
△AMCM和 Hyperganic 3D 打印的 Aerospike 發動機。照片由 Michael Petch 拍攝。
(責任編輯：admin)
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