这些 3D 打印的发动机可以为飞往太空的火箭——或高超音速武器提供动力

在《错配》一文中,我们深入探讨了国防工业核心的科学与技术——士兵与间谍的世界。

在落基山脉下的科罗拉多平原,靠近风景如画的伯瑟德镇,坐落着一家名为 Ursa Major 的太空公司的总部。在那里,距离丹佛以北约一小时车程,该公司经常在现场掩体后方试射火箭发动机。

这些发动机大多是 3D 打印的,不仅用于将卫星送入太空:它们也受到美国军方的青睐,用于为高超音速飞行器提供动力。它们兼具民用和军用特性,这是火箭技术双重用途的现代体现,它既可用于防御和进攻目的,也可用于宇宙探索。

有了这项技术,该公司希望能够同时推动民用和军事项目的进展。

3… 2… 1… 起飞

Ursa Major 公司创始人乔·劳里安蒂于 2015 年创立了这家公司,他从小在离伯瑟德不远的地方长大。他的父亲曾在Ball Aerospace(制造大量铝罐的公司旗下的航天部门,也是 Ursa Major 公司目前 90 英亩地块的前所有者)工作。“他一直在研究卫星,”劳里安蒂说。但当劳里安蒂去观看他父亲参与的载荷发射时,他想:“我父亲研究的东西非常重要。它装在火箭顶部。但从底部喷出的火焰要激动人心得多。”

从那时起,劳里安蒂就一直在追逐火焰,他的生活被推进技术所占据:这项技术能让火箭以足够快的速度升空,以抵消重力并进入轨道。成年后,他加入了 SpaceX 的推进团队,然后跳槽到 Blue Origin——这意味着他已经接触过由著名亿万富翁拥有的三巨头太空发射公司中的两家。(第三家是理查德·布兰森的维珍银河。)

很快,劳里安蒂看到业内其他人也开始创办商业火箭公司。他,也许是出于偏见,并不认为这是一个好主意:那些早先成立的巨头显然会获胜,而其他公司只会成为追随者。

然而,他认为他可以为这个领域做出贡献:他不想制造整个火箭,只想制造发动机,然后卖给火箭公司——就像通用电气制造为波音或空客飞机提供动力的发动机一样。“我的职业生涯一直都在研究发动机,而这(发动机)一直是行业的一个痛点,”劳里安蒂说。

当然,火箭发动机对于将航天器推向太空至关重要。“在过去十年中,超过 50% 的发射失败都与推进系统有关,”Ursa 公司工程副总裁比尔·默里解释道,他从两人都在南加州大学读本科时就认识劳里安蒂。这意味着火箭的复杂性有一半存在于发动机内部。将这部分复杂性从某些火箭制造商那里移除?理论上,他们的工作就会变得容易得多。

“这就是航空航天的下一波浪潮,”劳里安蒂认为。“这是专业化。”

带着这个想法,他卖掉了 SpaceX 的股票,为他的新事业做准备。“我没有买房、组建家庭,而是买了一台 3D 打印机,创办了公司,让我妈妈哭了,”他说。

rocket engine test
测试名为 Ripley 的发动机。Ursa Major

3D 打印发动机——以及整个火箭

3D 打印机是劳里安蒂愿景的关键。如今,Ursa 公司大部分发动机(80%)都采用金属合金进行 3D 打印——并且是一次性整体打印,而不是分块打印后再焊接。大多数太空公司在一定程度上都使用增材制造(3D 打印的另一种说法),但总的来说,它们并没有 3D 打印大部分硬件。而且,它们通常也不会设计它们的太空飞行器来充分利用 3D 打印的特殊优势,比如将复杂的硬件制成一个单一的部件,而不是数百个。

另一家公司 Relativity Space 也怀有类似的理念,该公司几乎 3D 打印了整枚火箭——包括发动机。它的 Terran 1 火箭是地球上最大的 3D 打印物体。该团队于 3 月 8 日和 11 日尝试发射该火箭,但最终由于地面设备燃料压力和自动化系统的问题,两次发射都取消了。

与劳里安蒂一样,Relativity 的创始人蒂姆·埃利斯也注意到传统太空公司不愿意完全拥抱 3D 打印技术。在他以前的老东家 Blue Origin,埃利斯是第一个进行金属 3D 打印的人;他是一名实习生,急于在学徒期结束前完成涡轮泵组件的制造。后来,作为一名正式员工,埃利斯还创立并领导了该公司的金属 3D 打印部门。

但埃利斯认为,像 Blue Origin 这样的传统太空公司通常进行 3D 打印的方式并不适合他,因为他觉得他们并不总是将零件设计成充分利用增材制造的独特能力。“Relativity 制造的每一个 3D 打印零件,用传统制造方法都无法建造,”埃利斯说。这种方法的结果是“结构看起来高度集成化,[因为]我们火箭发动机的许多部分,例如,都是一次性制造的。”在传统制造中,这些一次性零件原本会由多达数千个独立部件组成。

他认为现在应该有更多人转向这个方向。“说实话,3D 打印的普及速度比我预期的要慢得多,”他说。“我认为这是因为人们花了更长的时间才意识到,这不仅仅是一种制造技术。这是一种新的产品开发方式。”

五倍音速

最初,Ursa Major 的商业模式侧重于太空发射:将物体送入轨道,这个过程由公司第一个名为 Hadley 的发动机提供动力。该设计目前仍在生产中,消耗液氧和煤油,产生 5,000 磅推力。这与 Rocket Lab 的小型 Electron 飞行器或 VirginOrbit 的 LauncherOne 航天飞机的发动机推力大致相同。

但后来一位早期客户——劳里安蒂没有透露其姓名——前来洽谈另一项应用:高超音速。这些飞行器设计用于在大气层内以超过五倍音速的速度飞行。通常,当人们谈论高超音速时,他们指的是快速机动的武器。

“嘿,我们从别人那里购买火箭发动机,但它们并没有真正为高超音速飞行器量身定制,”劳里安蒂回忆这位客户说。“你们正处于早期开发阶段。你们能做些修改吗?”

他们可以,尽管这并不像按开关那样容易。高超音速飞行器通常从空中发射——从飞机的底部发射——而火箭通常从地面发射前往太空。高超音速飞行器也停留在大气层内。在高速的情况下,后者实际上非常困难。

就像用手摩擦织物会使两者都变暖一样,高超音速飞行器与空气摩擦会升高两者的温度。“你周围的大气层会发出红光,试图吞噬你的飞行器,”劳里安蒂说。这种热量在飞行器周围产生等离子体,同时也使得通信信号难以穿透。在这种严酷的环境中维持高速和正常工作的机器仍然是一个挑战。

但该公司似乎已经找到了如何让 Hadley(现已进入第四个迭代版本)在将火箭送入太空和为停留在地球大气层内的高超音速飞行器提供动力方面发挥作用。作为 Ursa Major 合同的一部分,军方希望该发动机为一架名为 X-60A 的飞机提供动力,这是一个由空军研究实验室运行的项目。X-60A 被构建为一个系统,用于搭载高超音速技术进行飞行测试,以检验其性能并为工程师提供一种记录武器行为的方式。

高超音速武器——快速的、在地球上飞行的导弹——实际上并不比洲际弹道导弹(ICBM)快,洲际弹道导弹携带核弹头,弹道弧线会飞入太空然后落回目标。但它们对军事人员来说具有重要意义和关注,因为它们不必遵循像洲际弹道导弹那样可预测的弹道,这意味着它们更难被追踪和击落。俄罗斯、中国、印度、法国、澳大利亚、德国、日本、朝韩以及伊朗都有高超音速武器研究项目。

为了拦截这些快速移动的武器,一个国家可能需要自己的高超音速技术,因此存在防御和进攻两个方面。这也是为什么国防部在 HGV 研究上投入了数十亿美元,此外还有与他国保持技术同步的意愿。当然,这常常会促使其他国家也想跟上或领先,从而导致大家都在增加对该领域的研究投入。

长期存在的双重性

火箭技术,虽然常常被誉为人类探索和宏大梦想的方式,但它一直都与军事有着千丝万缕的联系——不是含蓄的,而是显而易见的。“[纳粹德国的] V-2 火箭是洲际弹道导弹的鼻祖,”加州理工学院历史学助理教授丽莎·露丝·兰德说,她专注于航天技术及其后续发展。

至少一开始,飞往太空的火箭基本上就是弹道导弹。毕竟,一根强大的火焰棒,无论它打算飞向何方,都是一根强大的火焰棒。从太空时代开始就是如此。“发射 Sputnik 的 R-7 火箭是首批投入使用的洲际弹道导弹之一,”兰德说。她接着说,第一批美国宇航员就是乘坐改装的 Redstone 弹道导弹的顶端飞向太空的。之后是 Atlas 和 Titan 火箭,它们甚至与被加强以制造它们的美国导弹共享相同的名称。

火箭和飞行武器在哲学上也存在某种传承关系,就它们向目睹其火焰的人所传递的潜意识意义而言。“它们在很多方面都极大地缩小了世界,无论是时间还是空间,”兰德说。“无论是发射武器还是卫星,进入世界的另一个地方,都真正地让世界变小了。”

如今,总的来说,导弹技术的发展已经与太空发射技术分离开来,因为用于轨道的火箭是专门为此目的而建造的。但重要的是不要忘记它们来自哪里。“它们仍然都源自 V-2 和这些军用火箭,”兰德说。“而且大多数它们仍然会发射 DOD 的有效载荷。”

在很多方面,一台既能为高超音速飞行器提供动力又能将卫星送入轨道的 3D 打印火箭发动机,是自始至终存在的双重性的 21 世纪体现。“也许只是把‘悄悄话’大声说出来,”兰德说。“这里发生的事情——这似乎一直都是这样。但现在我们把它说得很清楚,‘是的,这必须两用。我们正在建立一家公司,这是我们的市场,是的,火箭用于两个主要方面:卫星和发射武器。’”

rocket engine test
科罗拉多州的火热场景:Ripley 发动机点火。Ursa Major

“击中你胸膛的冲击”

美国对高超音速能力寄予厚望,这并不奇怪——但并非所有期望都完全合理。正如《科学美国人》最近指出的那样,几十年来,美国一直在机动再入飞行器(MaRVs)上安装可控的弹道导弹。尽管它们只能在飞行末期改变方向,但它们仍然可以改变路径。同样,科学家们继续说道,虽然低空飞行的超音速飞行器可能在接近时躲避雷达,但美国并不完全依赖雷达进行导弹防御:它还有红外探测卫星,可以探测到像 Hadley 这样的燃烧中的火箭发动机。

尽管如此,根据跟踪联邦合同和奖项的 USA Spending 网站,空军对 Ursa Major 可能为高超音速研究做出的贡献很感兴趣,已经资助了该公司七个项目。事实上,空军是 Ursa 唯一的政府客户,已在公司的超音速和太空发射业务方面投资了数百万美元。它还负责 Relativity 四项联邦奖项中的两项

近期,降低国家对俄罗斯火箭发动机的依赖也引起了国家安全方面的关注。为此,Ursa Major 公司正在开发一款名为 Arroway 的新发动机,该发动机拥有 20 万磅的推力。“Arroway 发动机将是少数几种商用发动机之一,当它们组合在一起时,可以取代俄罗斯制造的 RD-180 和 RD-181,而这两种发动机已不再可供美国发射公司使用,”该公司去年 6 月表示。它还在开发一款介于两者之间的第三款发动机 Ripley,这是 Hadley 的放大版本。

如今,Ursa Major 公司每天测试其 3D 打印发动机的次数最多可达三次。在任何一天,伯瑟德镇的游客可能都会在近距离接触六到九次高功率实验。当静态火箭发动机开始测试时,低温产生的巨大蒸汽云可能会笼罩住工程师。

“当它点燃时,就像一股冲击击中你的胸膛,”劳里安蒂说。一束火焰从发动机后部喷出,射向掩体后面的沙地。旁观者正面朝火焰,背靠群山,目光锁定目标。

阅读更多 PopSci+ 文章。

 

更多优惠、评测和购买指南

 
Sarah Scoles Avatar

Sarah Scoles

特约编辑

莎拉·斯科尔斯 (Sarah Scoles) 是一位自由科学记者,也是《科技新时代》的常客,自 2014 年以来一直为该刊物撰稿。她关注科学技术与社会、企业和国家安全利益的互动方式。


© .