3D打印火箭人族-1测试性飞行的特点分析_刘琳.pdf
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1、运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle243D 打印火箭人族-1 测试性飞行的特点分析刘琳(北京宇航系统工程研究所)1 任务简介2023 年 3 月 8 日,美国民营航天公司相对论空间公司(Relativity Space)的人族-1(Terran 1)火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场进行首次测试性飞行。这次发射任务代号为“GLHF”,意思是“祝你好运,玩得开心”(Good Luck,Have Fun)。相对论空间公司成立于 2015 年,计划采用 3D打印技术、人工智能以及自主机器人相融合的新方法来实现火箭的设计、制造、试验与飞
2、行任务,近期进军新型的小型运载火箭市场,远期帮助构建人类的多星球未来。2020 年以来,相对论空间公司飞速发展,目前已经赢得了包括美国国防部以及一网公司(OneWeb)在内的多家客户的价值超过数亿美元的发射合同订单。此次火箭的测试性飞行并没有携带任何客户的24Space International 国际太空总第 532 期25有效载荷,仅携带了一枚由该公司第一代 3D 打印机所制造的质量约为 1.5kg、直径为 16.5cm 的铝制金属环,计划将其送入倾角为 28.5的 200km 的近地轨道。公司的首席执行官蒂姆埃利斯(Tim Ellis)称,此次飞行的主要任务是考核 3D 打印“产品”能够
3、真正上天。人族-1 火箭上重量超过 85%的结构由3D 打印机制造,是现阶段世界范围内“3D 打印”程度最高的火箭。虽然研制过程经过多次地面试验考核,但是能否承受飞行力学载荷环境的严峻考验尚不确定,特别是起飞后的最大动压的飞行环境将对火箭结构带来巨大挑战,如果此次测试性飞行成功,它将是全球第一枚入轨的 3D 打印火箭,将创造航天制造业的新纪录。与此同时,它还将成就:相对论空间公司的首次发射;16 号发射场 35 年后的首次发射;人族-1火箭的首次发射;第一枚入轨级的液氧甲烷火箭。不过,GLHF 任务并没有预期顺利。在当地时间 3 月 8 日的第一发射窗口,当发射程序进行到倒计时 70s 时,因
4、为火箭二级发动机的液氧推进剂温度超过上限而选择发射中止,约 3h 后,在 3 月 8 日下午的第二发射窗口,人族-1 火箭又重新进行了一次发射尝试,不过在起飞前 20min 再次取消发射。3 月人族-1 火箭测试性飞行 11 日,相对论空间公司再次进行两次发射尝试,第一次在火箭发动机点火后发射中止,第二次在倒计时45s 时发射中止,最终该公司宣布推迟发射。3 月 23 日,人族-1 火箭再次发射,火箭从 16号发射场点火起飞,通过了最大动压时刻,突破结构承载的峰值,顺利完成一级飞行、一级发动机关机、一二级级间分离程序,不过二级发动机飞行段工作异常,发动机尝试了两次点火都未能产生足够的推力,最终
5、并未达到目标轨道。不过这次飞行已经创造了“西方首枚超越卡门线的甲烷火箭”的新历史。2 典型特点分析颠覆 60 年的航天制造技术60 年以来,美国传统的航天制造业依靠星罗密布的大型工厂、错综复杂的供应链、数以万计的人工以及经年累月的周期制造着价格昂贵的火箭。近些年,为了降低航天运输成本,实现更为快速灵活的进出空间方式,美国民营航天可谓八仙过海,各显神通:太空探索技术公司(SpaceX)给出了可重复使用的完美解决方案,而相对论空间公司则使出了全箭 3D 打印的独门绝技。他们设计研发了世界上最大的 3D 金属打印机星门(Stargate)打印机,然后通过不断改进,运载大观Space Internat
6、ional 国际太空 20234Launch Vehicle26现在已经更新到了第四代,打印速度比第一代提高了7 倍,容量是第三代产品的 55 倍,性能已经远超行业标准。第四代的星门打印机,通过水平打印的方式,突破尺寸限制,可以打印直径为 3.4m、高为 7.6m的结构部件。采用智能打印方式,使工程师们从对金属的弯曲、铣削和焊接的工艺中抽身出来,而仅是对机器人进行编程,通过在合适的位置沉积金属来实现。不仅如此,每台星门打印机都具备实时检测、检查和后处理的能力,并通过计算机视觉、实时遥测技术以及温度感知等高度融合实现制造过程的全闭环控制,最大限度避免产品缺陷,降低废品率,提高产品可靠性。经由星门
7、打印机制造,人族-1 火箭的零件数量不足 1000 个,从原材料到全箭的制造时间不足 60 天。公司首席执行官蒂姆埃利斯称,目前还属于制造方式发展的早期阶段,随着技术的不断迭代,还将出现更为高性能的下一代材料,生产速度也会更快。相对论空间公司不仅可以在地球实现火箭的快速打印,还设想在未来的某一天能够在火星表面建立一个“小而轻”的工厂,在几乎不需要地球人参与的条件下使用 3D 打印设施,制造出地球人生活所需要的各式各样的东西。液氧甲烷发动机前景广阔近些年,尽管学者们对于发展液氧甲烷发动机充满争议,但是美国、俄罗斯、欧洲都在持续推进其研3D 打印技术制造特点制造方式传统火箭相对论空间零件数量/个约
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