3D打印Aerospike发动机在MIRA II太空飞机上完成测试

2024年12月15日，南极熊获悉，德国航空航天初创公司POLARIS Spaceplanes已成功完成气动尖峰驱动的 MIRA II 演示机的滚动和飞行测试。这架五​​米长的原型机采用 POLARIS 的 3D 打印 AS-1 线性气动尖峰火箭发动机。MIRA II 是全尺寸 AURORA 太空飞机的垫脚石，飞机将于 2028 年开始飞行运营。  

MIRA II 是在最初的 MIRA 演示机于 2024 年 5 月首次飞行尝试中坠毁后开发的。此后，新系统在跑道上完成了三秒钟的发动机燃烧，然后在波罗的海上空成功进行了飞行测试。

无人驾驶演示机使用四台涡轮喷气发动机从佩内明德机场起飞。到达点火点后，MIRA II 完成了 1 kN LOX/煤油 AS-1 气动尖峰发动机的三秒燃烧，实现了 4 m/s² 的加速度和 900 牛顿的推力。

这是线性气动尖峰发动机的首次飞行测试，对于这家位于Bremen的初创企业来说是一个重要的里程碑。

△POLARIS Spaceplanes 未来气动推进器的数字渲染图。图片来自POLARIS Spaceplanes。

3D 打印为 POLARIS 的气动尖峰太空飞机提供动力

与采用钟形喷嘴的传统火箭发动机不同，Aerospike 发动机采用楔形“尖刺”来控制废气。这种创新设计无需固定喷嘴，从而减轻了重量，提高了效率，并能够在不同高度持续调整推力。

这些新型发动机在飞行过程中会产生极端温度，需要大量复杂而精密的冷却管道。这种复杂性促使 POLARIS Spaceplanes 等气动尖峰式发动机开发商在设计和生产中利用增材制造技术。

去年，POLARIS公司从德国增材制造公司AM Global 获得了两台 3D 打印的 AS-1 气动塞式发动机。虽然这些初始发动机用于地面测试，但 AM Global 还为 MIRA 演示机 3D 打印了两台更轻的飞行测试发动机。   

在飞行三秒的燃烧过程中，MIRA II 的发动机在较低的燃烧室内压力下运行，以实现富燃料燃烧。据报道，这让 POLARIS 的工程师能够在发动机部件承受最小压力的同时收集性能数据。MIRA II的机载摄像头发现 LOX 储罐舱内有一个小泄漏，导致检修舱在三秒的发动机燃烧过程中丢失。尽管如此，公司报告声称演示机安全着陆，成功完成了试飞。

展望未来，POLARIS 将通过密集的飞行测试计划进一步测试和验证 3D 打印气动塞式发动机的飞行运行能力。

POLARIS 还将努力启动演示机的孪生发动机 MIRA III，以创造冗余并提高测试灵活性。随着测试的进展，该公司将逐步增加发动机室压力，以优化燃烧效率和推力。

从 MIRA 的更多测试中得到的经验将用于该公司的下一代太空飞机演示器 NOVA。据报道，这架测试飞机的长度将在 7 到 8 米之间，是全尺寸 AURORA 飞行器问世前的最后一步。

△POLARIS 太空飞机的 MIRA II 演示模型。照片来自 POLARIS 太空飞机。

3D 打印气动塞式发动机

自 20 世纪 50 年代以来，人们一直认为 Aerospike 发动机比传统火箭发动机具有显著优势。近年来，金属增材制造技术的发展释放了更高效制造这些先进推进系统所需的设计自由度。

△Aerospike 发动机设计。图片来源：莫纳什大学

2017 年，莫纳什大学、Amaero（莫纳什的一个分支机构）、Next Aero和WoodsideEnergy合作制造并测试了3D 打印的气动尖峰发动机“ProjectX” 。这款发动机仅用了四个月的时间就完成了设计和制造。

△使用 SLM（延时摄影）进行 3D 打印组件。图片来源：莫纳什大学，GIF 由 Rushabh Haria 提供

“Hasteloy X”是一种高强度镍基高温合金，采用选择性激光熔化 (SLM) 技术在EOS M280 3D 金属打印机上增材制造而成。据项目负责人 Graham Bell 介绍，3D 打印使团队能够实现独特的设计功能，例如“喷嘴几何形状”和“嵌入式冷却网络”。增材制造使团队能够创建和 3D 打印复杂的设计，这些设计可以在几天内进行测试、调整和重新打印，而传统生产方法则需要几个月的时间。

两年后，弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所 IWS和德累斯顿工业大学航空航天工程研究所 (ILR)合作，利用 3D 打印技术推进气动尖峰发动机的设计。该团队生产了一台 3D 打印的气动尖峰发动机，推力为 500 牛顿。然而，在测试过程中，它遇到了冷却系统和燃油喷射问题。

2022 年，工程设计软件专家Hyperganic制造了据称是世界上最大的 3D 打印气尖发动机。这家总部位于慕尼黑的公司生成了数百种可行设计，其中一种是在EOS M 400-4 系统上使用 Inconel 718 进行 3D 打印的，没有支撑结构。然后使用 AI 算法在更大的AMCM M 4K 3D 打印机上使用 CuCrZr 自动重新设计要 3D 打印的部件。  

△AMCM和 Hyperganic 3D 打印的 Aerospike 发动机。照片由 Michael Petch 拍摄。