卫星小型化已成为一种行业趋势。未来，小卫星将发挥越来越重要的作用，并向实用化、业务化发展，在通信、对地观测、空间科学、技术试验等领域的应用能力进一步提升。2018年至2022年间，全球发射的微小卫星数量将从263颗上升到460颗。预计2022年全球500kg以下小卫星市场将达71.79亿美元。[1]
针对小卫星发射的发射器研发也随之活跃，NSR报告显示，中国计划在未来10年内引领专门用于小卫星发射器的制造和小卫星发射数量，国内政策的支持是该计划的部分推动力。[2]
小卫星发射器制造领域对于3D打印技术的应用也颇为活跃。近日，德国Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一种增材制造-3D打印塞式喷管发动机，该发动机用于微型卫星发射器，其有效载荷可达350公斤。与传统设计相比，这款发动机在轻量化和燃料节省方面具有明显优势。
3D打印塞式喷管展示件。来源：Fraunhofer IWS
为节省燃料和增加有效载荷而设计
这款塞式喷管发动机，是由 Fraunhofer IWS和德累斯顿工业大学团队合作研发的。发动机中的燃油喷射器、燃烧室和喷管是采用粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技术制造的。喷管由尖峰状中心体组成, 该设计旨在加速气体燃烧。
德累斯顿工业大学负责发动机的设计, Fraunhofer IWS 负责制造和材料验证。研究团队的第一步是优化设计，使之适合增材制造技术。然后，进行打印材料选择和表征。接下来，使用粉末床选区激光熔化技术（L-PBF）制造发动机的两个组件，并对3D打印组件的功能表面进行了重新加工，然后将两个组件通过激光焊接连接在一起。研究团队采用的质量检测方式是计算机断层扫描，通过这种无损检测方式检查气孔和其他缺陷，并确定冷却通道是否被残余打印粉末所阻塞。
3D打印塞式喷管发动机原型。来源：Fraunhofer IWS
根据Fraunhofer IWS ，3D打印塞式喷管发动机有望比传统发动机节省约30％的燃料。主要得益于两个方面的原因，一方面是设计上的紧凑性，使得整个发动机的重量减轻，而每一克重量的减轻，都对航天器具有重要意义，因为这意味着所需的发射燃料减少和有效载荷的提高。此外，3D打印的喷管，更好地适应了从地球到轨道的不断变化的压力，有助于提高效率，与常规发动机相比，燃烧的燃料更少。
发动机对冷却性能的要求很高，研究团队设计了带有复杂内部管道的冷却系统，而由于复杂性高，该结构无法通过传统的铣削或铸造技术实现。研究团队采用的选区激光熔化设备，可以制造出具有一毫米宽冷却通道的部件，该通道是遵循燃烧室的轮廓设计的随形冷却通道。打印完成后，需要吸干过程中所残留在通道中的金属粉末。
燃烧室中普遍存在几千摄氏度的高温，喷管的制造材料必须满足苛刻的要求，在高温下保持固态，并且导热良好，以确保最佳的冷却效果。Fraunhofer IWS 此次并未透露使用的打印材料。
研究团队仍在优化发动机的喷射系统，进一步提高发动机效率，与之相关的项目名为CFDμSAT，该项目其2020年1月开始，是与阿丽亚娜集团和西门子合作的。
喷油器的设计和制造是CFDμSAT项目中的主要挑战。发动机在运行时，燃料将首先用于冷却发动机，当它们变热之后，被引入燃烧室。在液态氧和乙醇分别被添加进来之后，通过喷油器进行混合。点燃后的混合气体，在燃烧室中膨胀，然后流过燃烧室中的间隙，由喷管进行减压和加速。
目前，研究团队已经对这一3D打印塞式喷管发动机原型进行了热火实验，燃烧时间达到了30秒。
参考资料：
[1] 智研咨询，《2020-2026年中国卫星产业发展态势及未来前景分析报告》；
[2] 航天长城-中国长城工业集团 《NSR｜小卫星发射市场的形势》。
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