两大技术将"提升"火箭发射业务

没得比

——甲烷燃料与3D打印或成削减成本关键

　　不久前，美国太空探索技术公司(SpaceX)的火箭第一级成功降落在一艘海上无人船上，这是该公司乃至人类首次成功实现海上回收火箭。火箭回收实现了火箭发动机与导航系统这些昂贵设备的重复使用，能大大降低太空发射成本。

　　不仅如此，它还拉开了商业太空活动爆发式增长的序幕。可重复使用火箭的问世可与互联网和高速公路的出现相媲美。

　　要想让太空商业活动真正呈现出烈火烹油、鲜花着锦之势，需要一个有力的支撑：削减发射成本，可重复利用火箭只是其中一部分。除此之外，还有两大技术或是变革现有发射业务的关键。

　　液态甲烷供力：带你耍酷带你飞

　　一个是依靠甲烷飞行：“蓝色起源”公司目前正在殚精竭虑研制的BE-4发动机将由液化天然气这种新型燃料来为火箭提供动力。

　　当这款发动机完全研制成功时，液态氧和液化天然气的分段燃烧有可能产生55万磅的推力。“蓝色起源”公司称，这个发动机将在明年进行认证飞行，最早将于2019年起飞。

　　液化天然气是甲烷的一种可商用形式，作为火箭燃料有几大优势。首先，其储量丰富，容易获得且成本低廉。甲烷非常干净，不太可能堵塞发动机内的燃油输送管路，能大大减少麻烦的清洁工作(清洁微粒可使它更容易重复使用)。此外，这种气体还能自动加压，从而能消除对燃料箱增压系统的需求。

图：BE-4发动机模型，它将用液化天然气为火箭提供动力。

　　如果BE-4能使用液态天然气，同时做到设计简单可靠，容易制造，那么它将有望改变这个行业的面貌。

　　“蓝色起源”公司正与阿罗吉特洛克达因(Aerojet  Rocketdyne)公司竞争，为美国最大的军事火箭供应商美国联合发射联盟(ULA)的“火神”(Vulcan)火箭研制发动机。

　　阿罗吉特公司正在着力研制一款液氧和煤油混合动力发动机AR1。2015年12月18日，阿罗吉特公司宣布，其为ULA提供的AR1火箭发动机已通过关键设计评审。这意味着该公司得以继续AR1火箭发动机的研发进程，确保能在2017年进行全面测试。AR1火箭发动机将取代目前ULA“阿特拉斯5”(Atlas  V)运载火箭上使用的俄制RD-180发动机。AR1预计于2019年完成并且进行飞行认证。2015年年初，美国国会禁止美国空军使用俄制RD-180发动机，要求到2019年之前，完全由美国自制的产品替代，并用于火箭发射，因此，各大航空航天公司均在各出奇招。

　　这一竞争实质上就是成本与可靠性之间的竞争，阿罗吉特使用的传统技术风险更低，但成本可能更高。

　　阿罗吉特同“蓝色起源”公司竞争可能比较吃力，后者的技术能显著增加发动机的动力而不是重量，因此成本更低。

　　SpaceX也在研制一款液氧和甲烷分段燃烧的发动机“猛禽(Raptor)”，这款发动机能应用于“地球轨道任务和地球轨道之外的任务”。该公司计划前往火星可能也是其研制此款发动机的理由之一，就像SpaceX曾说，甲烷能在火星环境下合成。

　　3D打印：节省成本、加快进程

　　第二项技术是3D打印技术，它能显著减少制造火箭零件的时间和成本。

　　SpaceX公司的“猎鹰9”号火箭发动机的氧化剂阀体(用于控制流入发动机的氧气流)正是依靠3D打印技术在不到两天时间内制造而成的，并于2014年跟着“猎鹰9”号发射升空。那是SpaceX公司第一次发射3D打印设备升空。该公司当时在博客中表示，一般而言，制造这一设备可能会耗费数月时间。

　　与传统的铸造零件相比，这个打印出来的阀体拥有“超好的强度、延展性以及抗折性能”。在经过严苛的测试比较之后，这个3D打印零件被证明合格，可与“猎鹰9”号上的铸造零件交替使用。

图：SuperDraco发动机在进行测试，其关键部件燃烧室是在3D打印机上完整打印出来的。

　　或许是尝到了甜头，SpaceX对3D打印技术的倚重也与日俱增。2015年11月中旬，SpaceX宣布，其旗下的第二代龙飞船(Crew  Dragon)配备的新型推进系统SuperDraco引擎完成设计测试阶段。为了设计SuperDraco发动机，SpaceX引入了3D打印技术以降低成本，减少浪费，并使生产过程在总体上更灵活。该火箭发动机上的关键部件——燃烧室，就是在一台EOS金属3D打印机上完整打印出来的。该部件还使用了铬镍铁超级合金以确保其具有优异的强度、延展性、抗断裂性以及在材料性能上更低的变异性。

　　长此以往，很多特定零件的成本可能会显著降低，整个设备的成本也会因此大幅降低。

　　与传统零件相比，通过3D打印技术制造的零件更轻，因此，能增加火箭的有效载荷，这些零件和其制造过程对执行深空探测任务非常重要。