兩大技術(shù)將“提升”火箭發(fā)射業(yè)務(wù)

　　BE-4發(fā)動機模型，它將用液化天然氣為火箭提供動力。

　　SuperDraco發(fā)動機在進行測試，其關(guān)鍵部件燃燒室是在3D打印機上完整打印出來的。

　　本報記者 劉 霞 綜合外電

　　不久前，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的火箭第一級成功降落在一艘海上無人船上，這是該公司乃至人類首次成功實現(xiàn)海上回收火箭。火箭回收實現(xiàn)了火箭發(fā)動機與導(dǎo)航系統(tǒng)這些昂貴設(shè)備的重復(fù)使用，能大大降低太空發(fā)射成本。

　　不僅如此，它還拉開了商業(yè)太空活動爆發(fā)式增長的序幕。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，在2016年4月11日至14日于美國科羅拉多州斯普林斯舉行的第32屆航天研討會上，亞馬遜公司首席執(zhí)行官兼私人太空公司“藍色起源（Blue Origin）”掌舵人杰夫·貝索斯表示，可重復(fù)使用火箭的問世可與互聯(lián)網(wǎng)和高速公路的出現(xiàn)相媲美。

　　物理學(xué)家組織網(wǎng)還報道稱，要想讓太空商業(yè)活動真正呈現(xiàn)出烈火烹油、鮮花著錦之勢，需要一個有力的支撐：削減發(fā)射成本，可重復(fù)利用火箭只是其中一部分。除此之外，還有兩大技術(shù)或是變革現(xiàn)有發(fā)射業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。

　　液態(tài)甲烷供力：帶你耍酷帶你飛

　　一個是依靠甲烷飛行：“藍色起源”公司目前正在殫精竭慮研制的BE-4發(fā)動機將由液化天然氣這種新型燃料來為火箭提供動力。

　　當這款發(fā)動機完全研制成功時，液態(tài)氧和液化天然氣的分段燃燒有可能產(chǎn)生55萬磅的推力。“藍色起源”公司稱，這個發(fā)動機將在明年進行認證飛行，最早將于2019年起飛。

　　專家們稱，液化天然氣是甲烷的一種可商用形式，作為火箭燃料有幾大優(yōu)勢。首先，其儲量豐富，容易獲得且成本低廉。加州大學(xué)洛杉磯分校機械和航空航天工程學(xué)教授安娜·卡拉貢茲安認為，甲烷非常干凈，不太可能堵塞發(fā)動機內(nèi)的燃油輸送管路，能大大減少麻煩的清潔工作（清潔微粒可使它更容易重復(fù)使用）。此外，這種氣體還能自動加壓，從而能消除對燃料箱增壓系統(tǒng)的需求。

　　斯坦福大學(xué)航空航天學(xué)教授、美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心前負責人斯科特·哈伯德則說：“如果BE-4能使用液態(tài)天然氣，同時做到設(shè)計簡單可靠，容易制造，那么它將有望改變這個行業(yè)的面貌。”

　　“藍色起源”公司正與阿羅吉特洛克達因（Aerojet Rocketdyne）公司競爭，為美國最大的軍事火箭供應(yīng)商美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的“火神”（Vulcan）火箭研制發(fā)動機。

　　阿羅吉特公司正在著力研制一款液氧和煤油混合動力發(fā)動機AR1。據(jù)外媒報道，2015年12月18日，阿羅吉特公司宣布，其為ULA提供的AR1火箭發(fā)動機已通過關(guān)鍵設(shè)計評審。這意味著該公司得以繼續(xù)AR1火箭發(fā)動機的研發(fā)進程，確保能在2017年進行全面測試。AR1火箭發(fā)動機將取代目前ULA“阿特拉斯5”（Atlas V）運載火箭上使用的俄制RD-180發(fā)動機。AR1預(yù)計于2019年完成并且進行飛行認證。2015年年初，美國國會禁止美國空軍使用俄制RD-180發(fā)動機，要求到2019年之前，完全由美國自制的產(chǎn)品替代，并用于火箭發(fā)射，因此，各大航空航天公司均在各出奇招。

　　分析師們表示，這一競爭實質(zhì)上就是成本與可靠性之間的競爭，阿羅吉特使用的傳統(tǒng)技術(shù)風險更低，但成本可能更高。

　　美國航空及國防咨詢公司Teal Group航天研究主管馬可·卡塞雷斯認為，阿羅吉特同“藍色起源”公司競爭可能比較吃力，后者的技術(shù)能顯著增加發(fā)動機的動力而不是重量，因此成本更低。

　　SpaceX也在研制一款液氧和甲烷分段燃燒的發(fā)動機“猛禽（Raptor）”，該公司總裁格溫勒·肖特韋爾去年在提交給美國眾議院軍事委員會的聲明中表示，這款發(fā)動機能應(yīng)用于“地球軌道任務(wù)和地球軌道之外的任務(wù)”。該公司計劃前往火星可能也是其研制此款發(fā)動機的理由之一，就像SpaceX曾說，甲烷能在火星環(huán)境下合成。

　　3D打印：節(jié)省成本、加快進程

　　第二項技術(shù)是3D打印技術(shù)，它能顯著減少制造火箭零件的時間和成本。

　　SpaceX公司的“獵鷹9”號火箭發(fā)動機的氧化劑閥體（用于控制流入發(fā)動機的氧氣流）正是依靠3D打印技術(shù)在不到兩天時間內(nèi)制造而成的，并于2014年跟著“獵鷹9”號發(fā)射升空。那是SpaceX公司第一次發(fā)射3D打印設(shè)備升空。該公司當時在博客中表示，一般而言，制造這一設(shè)備可能會耗費數(shù)月時間。

　　與傳統(tǒng)的鑄造零件相比，這個打印出來的閥體擁有“超好的強度、延展性以及抗折性能”。在經(jīng)過嚴苛的測試比較之后，這個3D打印零件被證明合格，可與“獵鷹9”號上的鑄造零件交替使用。

　　或許是嘗到了甜頭，SpaceX對3D打印技術(shù)的倚重也與日俱增。2015年11月中旬，SpaceX宣布，其旗下的第二代龍飛船（Crew Dragon）配備的新型推進系統(tǒng)SuperDraco引擎完成設(shè)計測試階段。為了設(shè)計SuperDraco發(fā)動機，SpaceX引入了3D打印技術(shù)以降低成本，減少浪費，并使生產(chǎn)過程在總體上更靈活。該火箭發(fā)動機上的關(guān)鍵部件——燃燒室，就是在一臺EOS金屬3D打印機上完整打印出來的。該部件還使用了鉻鎳鐵超級合金以確保其具有優(yōu)異的強度、延展性、抗斷裂性以及在材料性能上更低的變異性。

　　斯坦福大學(xué)的哈伯德說：“我認為，長此以往，很多特定零件的成本可能會顯著降低，整個設(shè)備的成本也會因此大幅降低。”

　　美國亞利桑那州立大學(xué)的教授約翰·卡尼也認為，與傳統(tǒng)零件相比，通過3D打印技術(shù)制造的零件更輕，因此，能增加火箭的有效載荷，這些零件和其制造過程對執(zhí)行深空探測任務(wù)非常重要。