2026年5月,南極熊獲悉,來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH )一個學(xué)生團隊研制出了一種旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機(RDRE),并在瑞士杜本多夫機場的夜間測試中記錄到了穩(wěn)定的爆震波。 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機在一個環(huán)形燃燒室中燃燒推進劑,產(chǎn)生持續(xù)的超音速波爆震。由于部件更少,這種發(fā)動機可以實現(xiàn)高度優(yōu)化,體積更小、重量更輕、效率更高。
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日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)、美國國家航空航天局(NASA)和美國空軍研究實驗室(AFRL)一直在致力于RDRE發(fā)動機的研發(fā),RTX和Astrobotic公司也參與了相關(guān)研究。全球只有大約十幾個國家開發(fā)和測試過此類發(fā)動機,而且此前沒有其他學(xué)生團隊展示過穩(wěn)定的液態(tài)燃料 RDRE 運行。因此,這群學(xué)生的成果堪稱前沿之作。RDRE發(fā)動機通常使用3D打印部件來減輕重量、優(yōu)化性能并提高工作效率。而將3D打印技術(shù)真正應(yīng)用于RDRE發(fā)動機,有望催生新一代性能卓越的太空推進系統(tǒng)。
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△拖車上的發(fā)動機和測試臺都是在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機庫里建造的。圖片由丹尼爾·溫克勒/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提供。
為什么爆震優(yōu)于燃燒
這款“手搓”發(fā)動機燃燒丙烷和液氧,核心部件是采用金屬增材制造技術(shù)制造的噴射器。RDRE技術(shù)與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機的不同之處在于,燃料并非穩(wěn)定燃燒,而是發(fā)生爆轟,產(chǎn)生超音速波,該超音速波以高達每秒20,000轉(zhuǎn)的速度圍繞環(huán)形燃燒室持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種爆轟循環(huán)產(chǎn)生的壓力和溫度遠高于穩(wěn)態(tài)燃燒,從而能夠更充分地提取燃料中的能量。
與傳統(tǒng)發(fā)動機相比,理論上的效率提升估計為 10% 到 20%,考慮到燃料占火箭總發(fā)射重量的 80% 到 90%,這是一個相當可觀的提升幅度。
Pegasus噴射器必須在不到一毫秒的時間內(nèi)混合并輸送丙烷和液氧。稍有誤差,爆炸波就可能反向傳播到供氣管路中。學(xué)生團隊通過反復(fù)草圖繪制、團隊評審、計算和原型制作來解決這一問題,最終才開始打印金屬部件。
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學(xué)生團隊的強大創(chuàng)新力
這些學(xué)生是19人組成的“飛馬”團隊的成員,參與了蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的阿里斯(Aris)太空與火箭項目,目標是制造一種比現(xiàn)有方案功率高出10%的雙液反應(yīng)堆火箭發(fā)動機(RDRE)。開發(fā)團隊在杜本多夫機場進行了測試,成員均為大學(xué)二、三年級的學(xué)生,這令人矚目。難點在于如何設(shè)計合適的噴射器、氧化劑和結(jié)構(gòu),以正確點燃反應(yīng),同時避免被反應(yīng)產(chǎn)生的壓力和高溫破壞——這些因素會產(chǎn)生每秒2萬次的爆炸波。
21歲的機械工程專業(yè)三年級學(xué)生馬蒂亞·羅斯利(Mattia R??sli)負責設(shè)計了發(fā)動機的噴射器。他說:“火箭讓我著迷,因為它們飛行的原理很簡單,就是通過向后加速燃料。在開始之前就認為自己能完全理解這個課題是錯誤的。經(jīng)過兩年的學(xué)習(xí),你不需要天賦異稟就能研發(fā)出火箭發(fā)動機。只要一步一步來,互相幫助就行了。”這對任何將來想嘗試類似項目的人來說都是個令人鼓舞的消息。
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△馬蒂亞·羅斯利研發(fā)了噴射裝置,它是火箭發(fā)動機的核心部件。圖片由丹尼爾·溫克勒/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提供。
他們與團隊一起制作了噴射器的LPBF原型。往屆學(xué)生擔任導(dǎo)師,為他們提供了幫助。他們花了幾個月的時間研究安全概念、設(shè)計的其他部分以及進行測試。試射后,他們成功實現(xiàn)了三次持續(xù)的爆震波,看到這樣一支年輕的團隊從事全新的前沿研究令人深受鼓舞。
Pegasus噴射器的研發(fā)部分得益于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的“聚焦項目”(Focus Projects)課程,課程采用兩個學(xué)期的模式,由五到十名學(xué)生組成的團隊設(shè)計并生產(chǎn)出一個可運行的產(chǎn)品;部分研發(fā)則得益于贊助和實物工業(yè)支持。此外,研發(fā)團隊還受益于一家位于杜本多夫ETH機庫內(nèi)的商業(yè)研發(fā)初創(chuàng)企業(yè)的地理位置優(yōu)勢,這家初創(chuàng)企業(yè)的工程師們提供了非正式的指導(dǎo),以及之前ARIS項目成員傳承下來的寶貴經(jīng)驗。
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△蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院瑞士學(xué)術(shù)空間計劃。圖片來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
通常來講,發(fā)動機制造一類的工作成本很高。大量的3D打印、原型制作、搭建時間和設(shè)計工作加起來可不是小數(shù)目。很少有大學(xué)能夠資助這樣的項目。但有很多財力雄厚的大型大學(xué)有能力承擔,卻從未開展過如此令人興奮的項目。這個項目展現(xiàn)出極強的實用性,需要眾多有限元分析(FEA)、增材制造設(shè)計(DfAM)和3D打印方面的實踐經(jīng)驗進行支撐。想象一下,僅僅是嘗試讓打印好的零件運轉(zhuǎn)起來,就能理解機器的運行原理,這種經(jīng)驗對于日后從事真正的火箭研發(fā)工作至關(guān)重要。因此,這些學(xué)生進入就業(yè)市場時將擁有強大的競爭力。
當然,增材制造發(fā)動機工程是一項團隊合作,并非一群人各自為政、按部就班地進行。研究團隊成員需要緊密協(xié)作,不斷評估信息并進行信息交流。系統(tǒng)、仿真、推進和制造團隊實際上已經(jīng)整合在一起,協(xié)同運作。在復(fù)雜的航天和火箭領(lǐng)域,團隊合作能力、理解不同領(lǐng)域等能力至關(guān)重要。這是一種技能,需要從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。隨著增材制造和電子技術(shù)成本的降低,或許更多大學(xué)可以開展更多實踐性工作?或許他們應(yīng)該這樣做,讓學(xué)生有機會以團隊形式進行更多實踐,學(xué)習(xí)如何共同構(gòu)建。
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