3D打印火箭发动机：推动私营企业太空竞赛的技术

航天爱好者们一定不会忘记不断爆炸的SpaceX的原型火箭，没错，太空火箭发动机的不稳定特性常常意味着，许多早期的原型机最终会坠毁在土堆里，或变成废土朋克风的遗迹装饰物。事实上，意外的爆炸在这个领域是非常常见的，以至于火箭科学家居然想出了一个委婉的说法来形容这种情况：快速计划外拆卸，简称“RUD”。

每次火箭发动机爆炸时，都需要找到故障的来源，以便进行修复。然后，一台新的改进发动机被设计、制造、运往试验场并点火，然后循环再次开始 —— 直到唯一发生的拆卸是缓慢的、预定的那种。在快速发展的航天工业中，以这种方式完善火箭发动机是造成发展延迟的主要原因之一。

上图：火箭发动机在发射时爆炸的场景。

今天，使用耐热金属合金的3D打印技术，正在给反复试验的火箭研制带来革命性的变化。以前需要数百个不同部件的整个结构，现在可以在几天内打印出来。这意味着，在接下来的几年里，你会看到更多的火箭被炸成碎片（只是个玩笑），但随着私营企业太空竞赛的加剧，火箭发动机实际构成的部件将变得越来越大，越来越少。

要知道，火箭发动机每秒产生的能量相当于引爆一吨TNT，将这些能量引导到温度远高于3000摄氏度的废气（排气）中。那些既能做到这一点，又不会以计划外的方式迅速拆卸（爆炸）的引擎，至少需要三年时间才能从头开始设计，其中大部分还需要经过重新设计、重建、重新点火和重复的循环过程。

这是因为火箭发动机非常复杂。1969年将尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）送上月球的土星5号（Saturn V）的F-1发动机各有5600个制造零件。其中，许多都来自不同的供应商，必须手工单独焊接或用螺栓连接在一起，这非常需要时间。

上图：土星五号的F-1火箭发动机。

这一漫长而昂贵的过程在20世纪60年代可能还算是高效、可接受的，当时美国政府向美国国家航空航天局（NASA）注入了资金，以推动太空竞赛。但对于现在的私营公司来说，这简直是耗时太长。

添加火箭燃料

发动机快速开发的关键是减少零件数量，从而减少组装发动机所需的时间，以及供应链延迟造成的中断。其中，最简单的方法是改变制造工艺。航天公司现在正在从减材制造工艺（去除材料以塑造零件）转向（通过一点一点地添加材料来构建零件）增材制造工艺。

其实，这就意味着3D打印。工程师们越来越倾向于采用一种称为选择性激光烧结（selective laser sintering）的工艺，通过增材工艺来实现火箭发动机零部件的3D打印。它的工作原理是先铺上一层金属粉末，激光束在计算机控制下根据零件分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，就可以得到成型的零件。对于火箭发动机而言，会使用铬镍铁合金铜超合金粉末，因为它能承受非常高的温度。

选择性激光烧结允许在几天内在内部打印多个组件，作为一个统一的部件。 当出现 RUD 并发现故障时，工程师可以使用3D建模软件进行修复，将高度复杂的部件集成到新的火箭发动机中，以便几天后进行测试点火。

使用3D打印还可以帮助制造商减轻整个火箭的重量，因为生产复杂结构所需的螺母、螺栓和焊缝更少。3D打印在制造发动机复杂的再生冷却喷管方面特别有用，该喷管将冷燃料输送到热发动机周围，同时冷却发动机壁，并在燃烧前预热冷燃料。

使用3D打印技术重新设计的阿波罗F-1发动机，将零件数量从5600个减少到仅40个。目前，还没有一家公司能将这一数字减少到1，但不可否认的是，3D打印已经带来了一个快速、灵敏的火箭发动机发展的新时代。

商业可行性

这对私营太空企业来说很重要。建造火箭并不便宜。随着 RUD 废品开始堆积，投资者可能会变得反复无常。那些竞相向太空发射有效载荷的公司，每当因火箭故障而被迫推迟发射计划时，他们的公关就会倍受打击。

上图：火箭实验室（Rocket Lab）3D打印火箭发动机。

几乎所有新的火箭公司和太空创业公司都在采用3D金属打印技术。它加速了它们的发展阶段，帮助它们在成功进入太空之前度过了关键的几年。值得注意的是火箭实验室（Rocket Lab）和相对论空间（Relativity Space），前者使用3D打印引擎从新西兰发射火箭，后者使用3D打印整个火箭。在英国的效仿者还有Skyrora和Orbex。后者的目标是最早在2022年发射使用3D打印引擎的火箭。

整个火箭，包括它的发动机，是否可以一次性3D打印，还有待观察。但这显然是这个行业的发展方向。在这个行业中，轻量化、复杂的内部制造，将决定哪些有效载荷可以顺利进入轨道，而哪些最终会在不合时宜的时刻迅速解体。

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