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)航太工程研究所的研究人員,以3D列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;研究團隊已經製作出按比例縮放的引擎原型(參考文章上方大圖),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,期間複合年平均成長率(CAGR)為20.1%。小型衛星的重量通常低於500公斤,其市場成長動力來自於農業、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、小型發射器平台;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,小型衛星的開發週期較短,所需開發團隊規模也比較小,製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,成功製作並測試了氣尖引擎,預期燃料消耗量遠低於傳統火箭引擎。

其研發成果的獨特之處,在於燃料噴射器、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)的積層製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製造中心(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製造導入傳統製程,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,並因此使其更具效率,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,並且讓酬載量更大。

為了實現以積層製造技術──也就是3D列印──設計與製作的火箭引擎,專案團隊中的TU Dresden航太專家負責為引擎畫設計圖,Fraunhofer IWS研究人員則進行製造與材料的驗證;該團隊的第一步是讓設計能適應積層製造程序,然後是材料的選擇與特徵化。接下來他們以L-PBF技術製作了引擎的兩個零件,並對其表面功能進行二次加工,用雷射焊接將零件結合;再用電腦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製造技術製作金屬火箭,是因為這種火箭需要優異的冷卻以及內部冷卻通道。「這種複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製造部門經理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寬度冷卻通道的零件。」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乾淨;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。」

研究團隊製作的氣尖引擎原型已經過TU Dresden航太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,這證明了使用積層製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,於2020年1月啟動了名為CFDμSAT的新專案,並與歐洲火箭開發商Ariane Group以及德國大廠西門子(Siemens)結為夥伴。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:3D-Printed Rocket Engine for Microlaunchers Consumes 30% Less Fuel ,by Gina Roos)