看中国商业航天公司星际荣耀的火箭研发与3D打印应用

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2019年08月20日 16:51 新浪网 作者 3D科学谷

根据新京报,北京时间2019年7月25日13时00分,北京星际荣耀空间科技有限公司(星际荣耀)公司的双曲线一号遥一运载火箭(SQX-1 Y1)在中国酒泉卫星发射中心成功发射,按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道,发射任务取得圆满成功。这次发射虽不是中国民营商业火箭公司所开展的首次发射任务,却是中国民营火箭公司首次成功的“入轨”发射。

3D打印技术已然成为火箭制造的“顶梁柱”。国际上SpaceX、Blue Origin、马歇尔太空飞行中心,Aerojet Rocketdyne,以及Rocket Lab等航天企业一再证明,3D打印的应用不仅提升火箭发射设备的性能,更能降低火箭发射的成本。而在星际荣耀的技术版图中,3D打印技术也是不可或缺的部分。双曲线1号小型固体运载火箭.来源:星际荣耀

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中长期目标:可重复使用的液体运载火箭星际荣耀产品体系.来源:星际荣耀星际荣耀液体发动机.来源:星际荣耀

星际荣耀空间科技有限公司于2016年10月11日成立。产品体系包括:小型固体运载火箭、可重复使用小型液体运载火箭,以及亚轨道概念飞行器。

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星际荣耀基于这些航天器产品为中国商业用户提供航天发射服务、空间应用服务、空间在轨服务,以及提供科学实验、太空旅游等其他航天服务。星际荣耀的航天发射服务,以低成本、高品质、快响应为目标,空间应用服务则提供上面级卫星平台化及小卫星应用服务。

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星际荣耀董事长彭小波曾表示,星际荣耀的火箭发动机采用自主设计,并通过协作配套的方法来进行生产。根据3D科学谷的市场研究,星际荣耀致力于研发的发动机包括在低成本、可回收方面极具竞争力的液体发动机。姿轨控动力系统.来源:星际荣耀

液体发动机包括焦点1号与焦点2号。两种发动机均为可重复使用、变推力液体火箭发动机,使用的推进剂为液氧/甲烷。焦点1号已于2019年上半年进行了试车,真空推力为15吨。焦点2号则为百吨级的液氧甲烷发动机。

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除此之外,星际荣耀还在研发姿轨控动力系统,相关部件包括单组元推力室、双组元推力器、切破式电爆阀。

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已成功“入轨”的固体运载火箭

2019年7月25日发射的SQX-1 Y1火箭,携带了航天科工空间工程发展有限公司和北京理工大学的两颗卫星,搭载了国星宇航星时代-6载荷、西瓜创客载荷和某试验验证载荷等三个末子级载荷,以及长安欧尚汽车和金六福一坛好酒的两个商业配重。

在这次成功入轨发射之前,星际荣耀对双曲线系列火箭开展了技术验证,其中包括两次探空发射。

2018年4月5日,星际荣耀在海南发射场成功发射双曲线一号S火箭(Hyperbola-1S),火箭飞行高度突破100千米,最大飞行速度超过1200米/秒。Hyperbola-1S火箭为单级固体火箭,是星际荣耀研制的首款固体运载火箭的先行验证型号。这次飞行试验完成了星际荣耀固体火箭发动机的空中试车。

2018年9月5日,星际荣耀又发射了一枚一级固体亚轨道探空火箭,代号为双曲线1Z(SQX-1Z),火箭弹体长度9.5米,弹体直径1米,火箭最大飞行高度超过175千米,最大飞行速度1600米/秒,飞行时长超过450秒。

这次飞行中SQX-1Z搭载了三颗立方星试验载荷,火箭飞行至一定高度后将立方星依次释放,其中一颗试验卫星EREBUS-1完成降落伞着陆回收,另一颗CDGX-1则完成相关数据传输及技术验证。在这次飞行中星际荣耀完成的技术验证包括火箭组合导航、制导和控制方案、地面测发控方案验证、箭上主要单机功能验证以及一级发动机落点控制验证等。

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下一代可重复使用液体运载火箭

星际荣耀董事长彭小波曾表示,从发展的角度来看,星际荣耀先利用固体运载火箭,满足市场发射微小型卫星的基本需求,来迈过市场的门槛。但从中长期发展来看,星际荣耀瞄准的是可重复使用的液体运载火箭。

根据3D科学谷的市场观察,星际荣耀的可重复使用的液体运载火箭的研发工作正在进行中,并已开展了部分技术验证。

2018年5月25日,星际荣耀完成自主研发的15吨级液氧甲烷发动机变工况高效燃气发生器点火试验验证。

2019年上半年,星际荣耀完成了15吨级液氧甲烷火箭发动机焦点1号(JD-1)的涡轮泵与副系统联合试验。试验按照起动时序准时点火,试验过程中燃气发生器室压、温度,涡轮泵转速、涡轮泵后压力、振动等参数平稳,试车时间持续100s,试验获得圆满成功。

涡轮泵与副系统联合试验包含了焦点1号发动机除推力室外的所有核心组件。按照研制流程,在进行联试之前,公司分别顺利完成了燃气发生器长程点火试验、泵水力试验、动平衡试验、轴承试验、动密封试验、涡轮盘超转试验及副控阀低温试验等各类考核试验,坚持方案正确性和产品可靠性同步验证的原则,稳步推进各项研制工作。

公开信息显示,焦点1号发动机涡轮泵75%的零组件采用3D打印工艺,燃气发生器采用全3D打印工艺,零件数量减少60%。

根据3D科学谷的市场研究,星际荣耀通过3D打印技术开发的液体发动机涡轮泵部件包括涡轮盘[1]。星际荣耀研发了一种叶片与转盘一体成型的增材制造涡轮盘,至少两级叶片成型在转盘外周上。在此应用中使用的增材制造-3D打印技术为选区激光熔化,打印材料为Inconel718高温合金。选区激光熔化(SLM)3D打印技术的应用能够解决电火花等加工工艺在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时,受操作空间以及加工精度等影响而导致的涡轮盘难以加工的问题。

根据3D科学谷的市场研究,在液体姿轨控制动力系统研发中,星际荣耀也进行了3D打印探索,并研发了一种可将液体姿轨控制动力系统配套组件集成装配在一起的3D打印总装结构。这一安装结构件的显著特点在于功能集成,其中的管接头、机体中的若干条流道等为一体化设计,可通过选区激光熔化或电子束熔化(EBM)技术制造,制造材料为镁铝硅合金或钛合金。这种功能集成的结构能够减少总装结构的零部件数量,降低组装难度,减少制造成本。

星际荣耀15吨级液氧甲烷火箭发动机的试车成功,展示了3D打印等先进制造技术在实现快速迭代、降低研制成本、提升火箭关键部件性能等方面的优势。星际荣耀将在2020年底前完成液氧甲烷发动机的系统级试车,基于焦点一号构建的双曲线二号可重复使用液体运载火箭,预计将于2021年进行首飞,基于100吨级液氧/甲烷变推力火箭发动机——基于焦点二号构建的双曲线三号可重复使用液体运载火箭,预计将于2023年进行首飞。

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3D科学谷Reivew

在我国航天领域,“国家队”的体制内航天企业和科研院所一直都是中国航天领域的绝对主力。随着世界商业航天业的发展,我国开始在政策层面与资本层面上鼓励民营商业航天的发展。2016年,国务院新闻办公室发布了《2016中国的航天》白皮书,突出强调“鼓励引导民间资本和社会力量有序参与航天科研生产、空间基础设施建设、空间信息产品服务、卫星运营等航天活动,大力发展商业航天”。

在此背景下,我国商业航天业得到发展。除了星际荣耀以外,在北京亦庄经济技术开发区内聚集了星途探索、灵动飞天、翎客航天等数家商业火箭企业。而谈到民营商业航天,在国际上已不乏先行者,例如伊隆·马斯克(Elon Musk)创建的Space X, 以及亚马逊CEO杰夫贝索斯创立的Blue Origin。除此之外,还有起步较晚的Launcher、Relativity Space等初创公司。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的,3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。有关应用以及国际航天业在低成本、可回收火箭方面掀起的3D打印技术竞争,请参阅3D科学谷发布的:发力3D打印,Blue Origin投资2亿美元建设火箭发动机工厂;3D打印低成本可重复利用的下一代火箭发动机引爆新一轮NASA与ESA竞赛等文章。

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