美欲借3D打印技術擺脫俄制發動機依賴

　　第二個解決方案是，航空噴氣·洛克達因公司希望美國空軍盡快啟動AR-1液氧/煤油火箭發動機的研制，以替代俄制RD-180發動機。目前，該公司正在推進AR-1發動機的初步研究。其母公司金庫普公司的總裁兼首席執行官塞繆爾透露，AR-1發動機設計推力約為2224千牛，研制費用預計達8-10億美元，需4年時間。如果一切進展順利，AR-1發動機的研制工作將于2019年前后完成。同時，航空噴氣·洛克達因公司為AR-1發動機開發了一種名為Mondaloy的合金材料。這種合金強度高并且耐高溫，特別適合用于采用富氧分級燃燒循環的液體火箭發動機。與俄制RD-180發動機的內部涂層材料相比，該合金更為經濟可靠。此外，航空噴氣·洛克達因公司為降低風險，與Dynetics公司合作研究噴注器及發動機其他組件的增材制造技術。兩家公司已經利用增材技術制造了133千牛推力的火箭發動機噴注器，并準備對其進行試車。

　　第三個解決方案是，ATK公司向美國空軍建議用固體火箭發動機代替RD-180。曾經，ATK公司在短時間內研制了6款新型固體火箭發動機，其中最短的研制時間不到2年。“我們擁有豐富的經驗，曾為商業用戶提供低成本的解決方案，并在數月內就從設計階段推進到飛行驗證階段。”ATK航空航天公司總裁布萊克·拉爾森表示，“同樣，ATK公司也可以迅速地為美國空軍提供RD-180發動機的替代型，而且價格也將極具競爭力。”ATK公司認為，固體火箭發動機最大的優勢在于可以為有效載荷提供平穩的推力，這對敏感的國家安全衛星發射任務非常有益。此外，固體火箭發動機所需的地面發射設施更為簡化。除上述發動機研制方案，美國SpaceX公司表示將在2015年推出新型大型運載火箭，用于補充甚至替代“宇宙神”-5火箭。

　　雖然上述美國航天企業如期向美國空軍給出了各自的方案，但都存在著一定的技術挑戰。無論是BE-4還是AR-1，其單機推力都小于RD-180，這需要把“宇宙神”-5火箭一子級原有的單發動機結構改為雙發動機結構，控制系統也需同步更新。BE-4發動機采用了液氧/甲烷推進劑，這需要重新設計一子級原有結構。而ATK公司提出的固體發動機方案，其全箭環境適應性對一些用戶的衛星也將是一種挑戰。

　　制造火箭發動機的噴射器需要精度較高的加工技術，如果使用3D打印技術，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子。火箭發動機中的噴射器內有數十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術測試成功后將用于制造RS-25發動機，其作為美國宇航局未來太空發射系統的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。

　　馬歇爾中心的工程部主任克里斯認為3D打印技術在火箭發動機噴油器上應用只是第一步，“我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設計與制造，并提高系統的性能，更重要的是可以節省時間和成本，不太容易出現故障”。本次測試中，兩具火箭噴射器進行了點火，每次5秒，設計人員創建的復雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。

　　2014年8月31日，美國宇航局的工程師們剛剛完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在于提高火箭發動機某個組件的性能，由于噴射器內液態氧和氣態氫一起混合反應，這里的燃燒溫度可達到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產生2萬磅的推力，約9噸左右，驗證了3D打印技術在火箭發動機制造上的可行性。本項測試工作位于阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這里擁有較為完善的火箭發動機測試條件，工程師可驗證3D打印部件在點火環境中的性能。

　　美國擠壓研磨公司企業發展部負責人庫克表示，兩家公司合作的研發團隊已建造了該火箭發動機的關鍵部件預燃室，過去建造該部件通常需要15個月，而合作團隊僅用了15天，并計劃在今年底前測試該部件。早在提出RD-180更換計劃提出之前，兩家公司已為該3D打印項目開展了2年的研發工作。據估計，RD-180替代方案的研發工作可能將花費5-7年，成本可能為數億美元甚至高達50億美元。但庫克表示，兩家公司的合作團隊認為，可在國防部合同要求的2年半之內建造原型發動機，并在2019年完成適飛的發動機。