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英國(guó)太空3D打印領(lǐng)域又添生力軍—普羅米修斯-2和Orbex火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

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2022年5月12日，英國(guó)航天局對(duì)外宣布了英國(guó)近期航天方面取得的幾個(gè)新的里程碑，包括在英國(guó)本土的首次衛(wèi)星發(fā)射。歐洲航天局（ESA）期待已久的"普羅米修斯-2"火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射將于今年夏天晚些時(shí)候在紐基的康沃爾航天港進(jìn)行，將兩顆立方體衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道（LEO），以監(jiān)測(cè)包括GPS和精密成像在內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)。與此同時(shí)，英國(guó)航空航天公司Orbex已經(jīng)公布了其Prime軌道空間火箭的第一個(gè)全尺寸原型，其中的發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪泵系統(tǒng)是3D打印的。

英國(guó)政府國(guó)防采購(gòu)部長(zhǎng)杰里米-昆說(shuō)："空間技術(shù)對(duì)發(fā)展國(guó)防能力至關(guān)重要，'普羅米修斯-2'號(hào)的發(fā)射代表著我們本土的空間項(xiàng)目又向前邁出了重要一步。與太空任務(wù)和空客公司的這種合作為英國(guó)成為一個(gè)更有彈性、更強(qiáng)大和更重要的全球空間實(shí)體鋪平了道路。"

△發(fā)射臺(tái)上的Orbex Prime火箭原型。照片來(lái)自Orbex。

普羅米修斯項(xiàng)目

普羅米修斯火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自2017年以來(lái)一直在開發(fā)中，當(dāng)時(shí)歐空局與阿麗亞娜集團(tuán)簽署了一份價(jià)值7500萬(wàn)歐元的合同，用于開發(fā)可重復(fù)使用的、低成本的、3D打印等創(chuàng)新制造技術(shù)的新一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。阿麗亞娜集團(tuán)是跨國(guó)航空航天公司空中客車公司和賽峰集團(tuán)的合資企業(yè)，在2015年已經(jīng)開始用金屬3D打印方法制作發(fā)動(dòng)機(jī)的原型。普羅米修斯的前身之一——Vulcain 2.1，包含3D打印的結(jié)構(gòu)部件。此后，該項(xiàng)目專注于通過(guò)廣泛使用增材制造，以比傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低十倍的成本生產(chǎn)普羅米修斯。2018年，GKN航空航天公司與阿麗亞娜集團(tuán)簽訂合同，為液氧甲烷推進(jìn)的普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印兩個(gè)全尺寸渦輪。據(jù)吉?jiǎng)P恩公司稱，利用增材制造技術(shù)使渦輪機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵部件具有更高的性能，更短的交貨時(shí)間，并降低了90%的成本。

△普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)3D打印的燃燒室。照片來(lái)自阿麗亞娜集團(tuán)。

發(fā)射倒計(jì)時(shí)

經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)，普羅米修斯-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將在今年夏天首次發(fā)射，將兩顆立方體衛(wèi)星送入低地球軌道。普羅米修斯-2由位于漢普郡的In-Space Missions公司制造，并與空中客車防務(wù)和空間公司、英國(guó)國(guó)防部（MOD）和其他國(guó)際合作伙伴共同設(shè)計(jì)。

立方體衛(wèi)星將提供一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，用于監(jiān)測(cè)無(wú)線電信號(hào)、全球定位系統(tǒng)和復(fù)雜的成像，因?yàn)橛?guó)航天局正在努力與其盟友開發(fā)一個(gè)更加互聯(lián)的空間通信系統(tǒng)。特別是，這項(xiàng)任務(wù)將幫助國(guó)防部更好地了解英國(guó)及其國(guó)際伙伴如何合作，以創(chuàng)建一個(gè)更有能力、更靈活、更低成本的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。英國(guó)航天局副首席執(zhí)行官伊恩-安奈特說(shuō)："我們正在將英國(guó)置于小型衛(wèi)星發(fā)射的最前沿，在全球市場(chǎng)內(nèi)為商業(yè)客戶和政府提供世界領(lǐng)先的能力，開辟新的機(jī)會(huì)，并激勵(lì)當(dāng)前和下一代的英國(guó)太空科學(xué)家、工程師和企業(yè)家。這些衛(wèi)星展示了英國(guó)在設(shè)計(jì)和建造衛(wèi)星方面的優(yōu)勢(shì)。能夠首次從英國(guó)和歐洲各地發(fā)射，將進(jìn)一步推動(dòng)我們的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，在全國(guó)范圍內(nèi)創(chuàng)造高技能就業(yè)機(jī)會(huì)，并實(shí)現(xiàn)國(guó)家空間戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。這些立方體衛(wèi)星將由維珍軌道公司的 "發(fā)射器一號(hào)"火箭發(fā)射到低地球軌道，并在地球上空550公里處運(yùn)行。一顆立方體衛(wèi)星配備了高光譜成像儀、激光探測(cè)器和GPS接收器，以捕捉更高清晰度的地球圖像，而另一顆立方體衛(wèi)星包括兩臺(tái)光學(xué)成像相機(jī)，以提供180度的地球表面視圖并觀察第一顆立方體衛(wèi)星。

國(guó)防部空間主任哈夫-斯邁思空軍副元帥說(shuō)：“這是國(guó)際合作力量的一個(gè)很好的例子，當(dāng)然，合作也是我們國(guó)防空間戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵宗旨。普羅米修斯-2號(hào)將為英國(guó)國(guó)防部的未來(lái)太空計(jì)劃提供巨大的價(jià)值，而且，由于我們?cè)趪?guó)家偵察局的合作伙伴，這顆功能強(qiáng)大的衛(wèi)星將在今年夏天從英國(guó)本土發(fā)射。我對(duì)我們共同取得的成就感到非常自豪，這只是一個(gè)開始。"

△正在進(jìn)行測(cè)試的普羅米修斯氣體發(fā)生器。照片來(lái)自阿麗亞娜集團(tuán)。

Orbex公司公布了全尺寸的Prime原型機(jī)

與此同時(shí)，Orbex公司揭示了其Prime微型發(fā)射器火箭的第一個(gè)全尺寸原型。該公司在2015年發(fā)射后最初以隱形模式運(yùn)作，在籌集了3000萬(wàn)英鎊的資金后于2018年突然亮相。Orbex之前曾與SLMSolutions合作開發(fā)其3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這在2019年被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。去年2月，Orbex委托EOS集團(tuán)的公司AMCM建造歐洲最大的工業(yè)3D打印機(jī)，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部快速打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這套價(jià)值數(shù)百萬(wàn)英鎊的系統(tǒng)將促進(jìn)每年打印超過(guò)35個(gè)單件的大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和主級(jí)渦輪泵系統(tǒng)，它們是Orbex公司19米長(zhǎng)的Prime火箭的關(guān)鍵部分。Prime火箭的燃料是可再生的生物丙烷燃料，據(jù)報(bào)道，與目前大多數(shù)商業(yè)火箭所使用的煤油燃料相比，該燃料可減少90%的二氧化碳排放。該火箭被設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用，以便不在地球周圍的軌道上留下任何碎片，并配備了一個(gè)新穎的回收和可重復(fù)使用系統(tǒng)。

現(xiàn)在，Orbex公司已經(jīng)成功地將其第一個(gè)全尺寸的Prime火箭原型整合到其位于蘇格蘭Kinloss的第一個(gè)測(cè)試發(fā)射平臺(tái)的發(fā)射臺(tái)上。該公司現(xiàn)在將著眼于進(jìn)行綜合測(cè)試，包括火箭發(fā)射的 "彩排 "以及發(fā)射程序的開發(fā)和優(yōu)化。

Orbex的首席執(zhí)行官ChrisLarmour說(shuō)："這是Orbex的一個(gè)重要里程碑，突出了我們走了有多遠(yuǎn)。從外面看，它可能看起來(lái)像一個(gè)普通的火箭，但在內(nèi)部，Prime與其他任何東西都不同。為了實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)火箭的性能和環(huán)境可持續(xù)性，我們必須在許多領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，包括低碳燃料、完全3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、非常輕的燃料箱，以及新穎的低質(zhì)量可重復(fù)使用技術(shù)"。Prime火箭將從蘇格蘭北海岸正在開發(fā)的新太空港Space Hub Sutherland正式發(fā)射。早在2020年8月，薩瑟蘭空間樞紐是英國(guó)第一個(gè)獲得規(guī)劃許可的垂直太空港。Annett說(shuō)："我們正處于一個(gè)歷史性時(shí)刻的邊緣，Orbex在為英國(guó)創(chuàng)造一個(gè)全新的發(fā)射能力方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用，同時(shí)為全國(guó)各地的人們和企業(yè)創(chuàng)造機(jī)會(huì)。我迫不及待地想看到Prime從薩瑟蘭航天中心升空。"

△Orbex3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在第2階段火箭工程原型中。圖片來(lái)自Orbex。

英國(guó)繁榮的太空領(lǐng)域

英國(guó)的空間部門目前雇用了大約47,000人，創(chuàng)造了165億英鎊的收入。英國(guó)政府的國(guó)家太空戰(zhàn)略正在尋求使英國(guó)成為歐洲領(lǐng)先的國(guó)家，為小型衛(wèi)星制造商提供直接的端到端發(fā)射路線，同時(shí)在英國(guó)太空港當(dāng)?shù)貏?chuàng)造技術(shù)工作。

薩瑟蘭太空中心是英國(guó)各地七個(gè)潛在的太空港之一，一旦完成，預(yù)計(jì)將在周圍地區(qū)創(chuàng)造600多個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)?？茖W(xué)部長(zhǎng)喬治-弗里曼說(shuō)："對(duì)于英國(guó)的空間和衛(wèi)星部門來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻，因?yàn)槲覀冋跒榻衲晗奶焱硇r(shí)候從英國(guó)太空港發(fā)射第一批衛(wèi)星進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。Orbex Prime是英國(guó)火箭公司的一項(xiàng)了不起的工程壯舉，它開創(chuàng)了更多可持續(xù)的創(chuàng)新燃料，減少了碳排放?？吹娇偛吭O(shè)在摩雷的Orbex公司創(chuàng)造了更多高質(zhì)量的工作，這也是非常好的，表明我們繁榮的空間部門對(duì)支持新興創(chuàng)新集群的價(jià)值，以幫助提高整個(gè)英國(guó)的水平。"