3D打印火箭人族-1测试性飞行的特点分析_刘琳.pdf

运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle243D 打印火箭人族-1 测试性飞行的特点分析刘琳（北京宇航系统工程研究所）1 任务简介2023 年 3 月 8 日，美国民营航天公司相对论空间公司（Relativity Space）的人族-1（Terran 1）火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场进行首次测试性飞行。这次发射任务代号为“GLHF”，意思是“祝你好运，玩得开心”（Good Luck，Have Fun）。相对论空间公司成立于 2015 年，计划采用 3D打印技术、人工智能以及自主机器人相融合的新方法来实现火箭的设计、制造、试验与飞行任务，近期进军新型的小型运载火箭市场，远期帮助构建人类的多星球未来。2020 年以来，相对论空间公司飞速发展，目前已经赢得了包括美国国防部以及一网公司（OneWeb）在内的多家客户的价值超过数亿美元的发射合同订单。此次火箭的测试性飞行并没有携带任何客户的24Space International 国际太空总第 532 期25有效载荷，仅携带了一枚由该公司第一代 3D 打印机所制造的质量约为 1.5kg、直径为 16.5cm 的铝制金属环，计划将其送入倾角为 28.5的 200km 的近地轨道。公司的首席执行官蒂姆埃利斯（Tim Ellis）称，此次飞行的主要任务是考核 3D 打印“产品”能够真正上天。人族-1 火箭上重量超过 85%的结构由3D 打印机制造，是现阶段世界范围内“3D 打印”程度最高的火箭。虽然研制过程经过多次地面试验考核，但是能否承受飞行力学载荷环境的严峻考验尚不确定，特别是起飞后的最大动压的飞行环境将对火箭结构带来巨大挑战，如果此次测试性飞行成功，它将是全球第一枚入轨的 3D 打印火箭，将创造航天制造业的新纪录。与此同时，它还将成就：相对论空间公司的首次发射；16 号发射场 35 年后的首次发射；人族-1火箭的首次发射；第一枚入轨级的液氧甲烷火箭。不过，GLHF 任务并没有预期顺利。在当地时间 3 月 8 日的第一发射窗口，当发射程序进行到倒计时 70s 时，因为火箭二级发动机的液氧推进剂温度超过上限而选择发射中止，约 3h 后，在 3 月 8 日下午的第二发射窗口，人族-1 火箭又重新进行了一次发射尝试，不过在起飞前 20min 再次取消发射。3 月人族-1 火箭测试性飞行 11 日，相对论空间公司再次进行两次发射尝试，第一次在火箭发动机点火后发射中止，第二次在倒计时45s 时发射中止，最终该公司宣布推迟发射。3 月 23 日，人族-1 火箭再次发射，火箭从 16号发射场点火起飞，通过了最大动压时刻，突破结构承载的峰值，顺利完成一级飞行、一级发动机关机、一二级级间分离程序，不过二级发动机飞行段工作异常，发动机尝试了两次点火都未能产生足够的推力，最终并未达到目标轨道。不过这次飞行已经创造了“西方首枚超越卡门线的甲烷火箭”的新历史。2 典型特点分析颠覆 60 年的航天制造技术60 年以来，美国传统的航天制造业依靠星罗密布的大型工厂、错综复杂的供应链、数以万计的人工以及经年累月的周期制造着价格昂贵的火箭。近些年，为了降低航天运输成本，实现更为快速灵活的进出空间方式，美国民营航天可谓八仙过海，各显神通：太空探索技术公司（SpaceX）给出了可重复使用的完美解决方案，而相对论空间公司则使出了全箭 3D 打印的独门绝技。他们设计研发了世界上最大的 3D 金属打印机星门（Stargate）打印机，然后通过不断改进，运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle26现在已经更新到了第四代，打印速度比第一代提高了7 倍，容量是第三代产品的 55 倍，性能已经远超行业标准。第四代的星门打印机，通过水平打印的方式，突破尺寸限制，可以打印直径为 3.4m、高为 7.6m的结构部件。采用智能打印方式，使工程师们从对金属的弯曲、铣削和焊接的工艺中抽身出来，而仅是对机器人进行编程，通过在合适的位置沉积金属来实现。不仅如此，每台星门打印机都具备实时检测、检查和后处理的能力，并通过计算机视觉、实时遥测技术以及温度感知等高度融合实现制造过程的全闭环控制，最大限度避免产品缺陷，降低废品率，提高产品可靠性。经由星门打印机制造，人族-1 火箭的零件数量不足 1000 个，从原材料到全箭的制造时间不足 60 天。公司首席执行官蒂姆埃利斯称，目前还属于制造方式发展的早期阶段，随着技术的不断迭代，还将出现更为高性能的下一代材料，生产速度也会更快。相对论空间公司不仅可以在地球实现火箭的快速打印，还设想在未来的某一天能够在火星表面建立一个“小而轻”的工厂，在几乎不需要地球人参与的条件下使用 3D 打印设施，制造出地球人生活所需要的各式各样的东西。液氧甲烷发动机前景广阔近些年，尽管学者们对于发展液氧甲烷发动机充满争议，但是美国、俄罗斯、欧洲都在持续推进其研3D 打印技术制造特点制造方式传统火箭相对论空间零件数量/个约 100000约 1000设计周期/月242生产周期/月486供应链复杂简单驱动硬件驱动制造软件驱动制造制计划，美国太空探索技术公司的“星舰”（Starship）所采用的猛禽-2（Raptor-2）发动机，以及联合发射联盟的“火神半人马”（Vulcan Centaur）火箭采用的 BE-4 发动机均已经过多次试验验证。人族-1火箭更是有可能成为首枚入轨级“甲烷火箭”。目前，采用液氧为氧化剂的火箭发动机一般有三种，即：液氧煤油发动机、液氢液氧发动机、液氧甲烷发动机。与液氧煤油发动机相比，液氧甲烷发动机的理论比冲高、推进剂成本低，但是密度比冲低。与液氢液氧发动机相比，液氧甲烷发动机理论比冲低，但是其氧化剂与燃烧剂的低温差距小，密度比冲高，且价格低廉。一般而言，可复用性、成本价格、使用维护性、原材料获取难易程度等代表着发动机技术发展的需求方向，也是发动机设计的重要指标。将三种发动机进行比较，按照密度比冲越高越好，成本价格越低越好，积碳结焦风险越低越好，冷却难度越小越好，理论比冲越高越好，研制门槛越低越好的原则，对三种类型的发动机进行打分，得分越高者代表对需求的满足度更高，可见，液氧甲烷发动机略胜一筹。同时，随着重复使用技术日渐成为新研航天运载器的设计“标配”，伴随着高密度发射日渐成为常态，甲烷推进剂不易结焦的特性更加凸显，颇有成为航天动力新宠的趋势，势必将在航天运输动力领域占据一席之地。面向未来，在星际探索方向，由于甲烷Space International 国际太空总第 532 期27在火星上的大量存在，作为最容易获取和制造的“火星”推进剂，液氧甲烷发动机的发展更是前景广阔。3“人族”系列火箭相对论空间公司的“人族”系列火箭包括此次测试性飞行的人族-1 火箭和未来的人族 R 火箭，人族-1 火箭是一款小型的一次性两级液体火箭，具备将1250kg的有效载荷送入低地球轨道（LEO）的能力。人族 R 火箭为中型的完全可重复使用的两级液体火箭，具备将 20t 的有效载荷送入近地球轨道的能力。人族-1 火箭人族-1 火箭是小型一次性运载火箭，用于将小型卫星送入近地球轨道和太阳同步轨道，采用两级的液氧甲烷动力系统，高约 35m，直径 2.3m，此次用于测试性飞行的人族-1 火箭由于采用封闭式锥形结构替代了火箭原有的有效载荷整流罩，所以高度仅为33.5m。全箭重量约 85%的部件由相对论空间公司的星门 3D 打印机制造，包括火箭内部的复杂零件、发动机大部分零件、推进剂储箱以及级间分离系统等。通过这种制造方式，此枚人族-1 火箭的零件总数量降低了至少两个数量级，总数不足 1000 个，并将火箭从原材料到整箭的制造周期缩短到 60 天内，大量节约了时间与人工成本。人族-1 火箭的有效载荷整流罩高度为 6.8m，直径为 3m，壳体为金属材料，采用蚌壳式，整流罩内部有效包络范围直径 2.54m，高度 5.588m，柱段长度 3.165m，标准有效载荷接口为 986mm，配有一个摄像头用于监控卫星与火箭的动态分离过程。人族-1 火箭可以适应多种有效载荷，满足单星或者多星发射任务需求，任务时长最多可达 2.5h。动力系统共使用10台永世-1（Aeon-1）发动机，是一种开放式循环的液体发动机，采用液氧作为氧化剂、燃烧剂为液压天然气（含有 97%的甲烷与 3%的其他天然气）。其中火箭一子级采用 9 台永世-1 发动机，起飞推力约 900kN；二子级采用真空版永世-1发动机，推力约 126kN。电气系统采用单总线与模块化设备相结合方式，通过增加或者减少模块化组件来满足不同任务的个性化需求，整体采用架构式设计，尽可能减少开发设计过程并简化操作流程。最大运载能力为将 1250kg 的有效载荷送入185km 的近地球轨道、将 900kg 的有效载荷送入500km 的太阳同步轨道，或者将 700kg 有效载荷送入 1200km 的太阳同步轨道。此次 GLHF 任务飞行程序约 8min，目标轨道为倾角为 28.5的 200km近地球轨道。人族 R 火箭人族 R 火箭名字中的 R 代表 Reusable，意思是重复使用，表明该火箭是一款完全可重复使用的火箭。该公司称人族 R 火箭的设计灵感来源于大自然，它拥有独特的，由算法创造的气动外形，目的是便于进出大气层。人族 R 火箭运载能力与 SpaceX 公司的猎人族-1（左）与人族 R（右）火箭外形图运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle28鹰-9（Falcon-9）火箭相当，设计目标是将 20t 有效载荷送入近地球轨道。该火箭将使用第四代星门打印机生产制造。火箭一子级采用 7 台永世 R（Aeon R）发动机，二子级采用真空版发动机，预计于 2024 年在卡纳维拉尔角发射基地进行首次飞行试验，并于 2025 年起发射OneWeb 公司的第二代卫星。人族 R 火箭未来还将用于为商业和政府客户提供面向更远的轨道、更经济的空间投送能力，并最终成为一艘能够在地球、月球以及火星之间执行任务的点对点的货运平台。参考文献1 Relativity Space Inc.Terran 1 Payload Users Guide 2.0EB/OL.2023-03-15.http:/ 包为民，汪小卫，董晓琳.航班化航天运输对动力的发展需求与技术挑战 J.火箭推进，2021(8):1-5.4 总结人族-1 火箭是一枚“小而美”的火箭，它正在航天制造领域另辟蹊径，试图从根本上改变航天制造行业的设计与运营方式，从而大幅提高规模生产能力，以极大的灵活性满足市场需求；还有可能在这个方兴未艾的液氧甲烷动力时代拔得头筹，成为首枚入轨级的“甲烷火箭”，真正改写航天动力史。人族-1 火箭飞行程序人族 R 火箭独特的气动外形