麵向小衛星發射!Fraunhofer 發布一種3D打印塞式噴

時間:2020-02-21 作者:admin 分享到:

衛星小型化已成為一種行業趨勢。未來,小衛星將發揮越來越重要的作用,並向實用化、業務化發展,在通信、對地觀測、空間科學、技術試驗等領域的應用能力進一步提升。2018年至2022年間,全球發射的微小衛星數量將從263顆上升到460顆。預計2022年全球500kg以下小衛星市場將達71.79億美元。[1]

針對小衛星發射的發射器研發也隨之活躍,NSR報告顯示,中國計劃在未來10年內引領專門用於小衛星發射器的製造和小衛星發射數量,國內政策的支持是該計劃的部分推動力。[2]小衛星發射器製造領域對於3D打印技術的應用也頗為活躍。近日,德國Fraunhofer 研究所(Fraunhofer IWS)揭示了一種增材製造-3D打印塞式噴管發動機,該發動機用於微型衛星發射器,其有效載荷可達350公斤。與傳統設計相比,這款發動機在輕量化和燃料節省方麵具有明顯優勢。

 

3D打印塞式噴管展示件

3D打印塞式噴管展示件。來源:Fraunhofer IWS

 

為節省燃料和增加有效載荷而設計

這款塞式噴管發動機,是由 Fraunhofer IWS和德累斯頓工業大學團隊合作研發的。發動機中的燃油噴射器、燃燒室和噴管是采用粉末床激光熔化(L-PBF)3D打印技術製造的。噴管由尖峰狀中心體組成, 該設計旨在加速氣體燃燒。德累斯頓工業大學負責發動機的設計, Fraunhofer IWS 負責製造和材料驗證。研究團隊的第一步是優化設計,使之適合增材製造技術。然後,進行打印材料選擇和表征。接下來,使用粉末床選區激光熔化技術(L-PBF)製造發動機的兩個組件,並對3D打印組件的功能表麵進行了重新加工,然後將兩個組件通過激光焊接連接在一起。研究團隊采用的質量檢測方式是計算機斷層掃描,通過這種無損檢測方式檢查氣孔和其他缺陷,並確定冷卻通道是否被殘餘打印粉末所阻塞。

 

3D打印塞式噴管發動機原型

3D打印塞式噴管發動機原型。來源:Fraunhofer IWS

 

根據Fraunhofer IWS ,3D打印塞式噴管發動機有望比傳統發動機節省約30%的燃料。主要得益於兩個方麵的原因,一方麵是設計上的緊湊性,使得整個發動機的重量減輕,而每一克重量的減輕,都對航天器具有重要意義,因為這意味著所需的發射燃料減少和有效載荷的提高。此外,3D打印的噴管,更好地適應了從地球到軌道的不斷變化的壓力,有助於提高效率,與常規發動機相比,燃燒的燃料更少。

發動機對冷卻性能的要求很高,研究團隊設計了帶有複雜內部管道的冷卻係統,而由於複雜性高,該結構無法通過傳統的銑削或鑄造技術實現。研究團隊采用的選區激光熔化設備,可以製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計的隨形冷卻通道。打印完成後,需要吸幹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,噴管的製造材料必須滿足苛刻的要求,在高溫下保持固態,並且導熱良好,以確保最佳的冷卻效果。Fraunhofer IWS 此次並未透露使用的打印材料。

研究團隊仍在優化發動機的噴射係統,進一步提高發動機效率,與之相關的項目名為CFDμSAT,該項目其2020年1月開始,是與阿麗亞娜集團和西門子合作的。噴油器的設計和製造是CFDμSAT項目中的主要挑戰。發動機在運行時,燃料將首先用於冷卻發動機,當它們變熱之後,被引入燃燒室。在液態氧和乙醇分別被添加進來之後,通過噴油器進行混合。點燃後的混合氣體,在燃燒室中膨脹,然後流過燃燒室中的間隙,由噴管進行減壓和加速。

目前,研究團隊已經對這一3D打印塞式噴管發動機原型進行了熱火實驗,燃燒時間達到了30秒。

 

參考資料:

[1] 智研谘詢,《2020-2026年中國衛星產業發展態勢及未來前景分析報告》;

[2] 航天長城-中國長城工業集團 《NSR|小衛星發射市場的形勢》。

成功案例 success case