3D 打印火箭发动机如何助美国重夺太空竞赛

20 世纪 60 年代中期，位于阿拉巴马州亨茨维尔郊外的美国宇航局马歇尔航天中心是火箭工程活动的中心，也是美国努力成为世界主导太空强国的起点。1957 年苏联人造卫星斯普特尼克号发射后，当时盛行的冷战思维为那里的工程师们提出了一个战略目标，推动他们迅速克服无数挑战：制造比俄罗斯更好的火箭。

五十年过去了，人们可能会觉得事情几乎没有什么变化，这是可以理解的。如今，在亨茨维尔，一支由 NASA 资助、由来自亨茨维尔 Dynetics 公司和推进巨头 Aerojet Rocketdyne 公司的工程师组成的新火箭科学家团队正在重建曾经为阿波罗计划的土星五号火箭提供动力的 F-1 火箭发动机部件。他们的目标是：制造比俄罗斯更好的火箭。

和阿波罗时代的工程师一样，他们的动力主要来自地缘政治。过去一年，俄美关系恶化，威胁到了自 1990 年代以来美国太空利益集团从俄罗斯购买火箭发动机的贸易关系。但与他们的前辈不同，Dynetics/Aerojet Rocketdyne 团队正在用 21 世纪的技术（如高性能计算机建模和 3D 打印）重建 20 世纪的火箭部件，在某些情况下，这比传统的生产时间缩短了一年多。

如果他们能够按照工程师们现在设想的方式完成该计划，那么美国国家航空航天局和美国空军很快就能用 3D 打印出有史以来最强大的火箭。

Dynetics 公司发展总监、前 Ares 项目办公室经理史蒂夫库克 (Steve Cook) 表示：“利用我们在过去 10 到 15 年内开发的技术，我们可以比俄罗斯今天的做法更便宜地实现这一目标。”Ares 项目办公室是 NASA 开发新型火箭发动机技术的最后一项重大计划。

美国对俄罗斯火箭发动机的依赖几乎始于冷战结束后。苏联解体时，美国火箭发动机价格昂贵；而俄罗斯制造的重型火箭发动机（如超强力的 RD-170）数量众多、可靠，而且在经济混乱的年代，价格便宜。“每个人都被它迷惑了，”库克谈到依赖俄罗斯火箭技术的决定时说。“当时的态度是：它有效，更换它的成本太高，所以我们会继续使用它。”

由于这种自满情绪，很快，就连美国政府最敏感的国家安全卫星也开始依赖俄罗斯的火箭发动机将其送入轨道。2012 年，NASA 授予 Dynetics 一份合同，开始探索一种新型美国制造的先进火箭助推器的经济性和可靠性，这种助推器基于为阿波罗时代的土星五号提供动力的 F-1 火箭发动机。当时，NASA 正在考虑使用这种发动机为该机构的新型重型太空发射系统提供动力，该系统也在亨茨维尔开发中，不过该机构后来决定使用航天飞机任务中遗留下来的 RS-25 发动机为 SLS 的首次飞行提供动力。

但自那以后，对自主研发火箭技术的需求变得更加迫切。过去一年，俄罗斯在乌克兰的挑衅行为加速了人们对美国制造的火箭助推器的兴趣，而且不仅仅是来自 NASA；今年 9 月，美国空军正式发出信息请求，要求提供有关俄罗斯 RD-180 发动机的潜在替代品的信息，这种发动机通常用于将美国的军用和间谍卫星送入轨道。与此同时，美国国会也要求美国摆脱对俄罗斯火箭的依赖，并为此提供资金。“现在有一个比成本更广泛的问题，”库克说。“由于俄罗斯政府的行动，去年春天这种需求变得非常明显。”

为了打破国防部对俄罗斯火箭的依赖，亨茨维尔的团队正在试验新技术和先进的制造技术。Dynetics/Aerojet Rocketdyne 团队正在开发的新型 AR-1 发动机大量借鉴了旧的 F-1 设计，但发动机的组装方式却大不相同。该团队大量依赖增材制造（或 3D 打印），已证明时间和材料减少，从而显著降低火箭制造成本并缩短生产时间，有时可缩短一年以上。

“我们能够拆除原来为老式 Saturn V F-1 发动机制造的部件”——燃气发生器喷射器——“通常需要 15 个月才能制造完成，”库克说。“我们能够将其缩短到 15 天。”喷射器的制造成本现在降低了 70%。它的重量也更轻了，释放出宝贵的几磅推力，现在可用于有效载荷。

设计团队正在寻找其他地方，利用材料科学和 3D 打印合金的进步可以缩短火箭发动机生产时间（数周、数月，最终节省数美元）。

“有很多钣金零件、焊缝和连接件，这些都是采用增材制造技术的理想场所，”库克说。“将来，我们可能能够消除预喷射器中的数十个支撑接头、主喷射器中的数百个支撑接头，甚至可能将其带到喷嘴。”

所有这些工作的成果将会是有史以来打印出来的最强大的火箭发动机。

全打印推力室（即喷射器、燃烧室、喷嘴、阀体、进气口和歧管等）的成本可能比传统推力室低 35%。而且它可以缩短几个月的生产时间，让 NASA 或空军能够在更短的时间内生产火箭。该团队的创新可能会在未来几年内迅速重新定义火箭制造的可能性，让其他火箭制造商难以追赶。

库克表示，所有这些工作的最终成果将是有史以来打印出来的最强大的火箭发动机——一种更紧凑、性能更高的 F-1 版本，可产生约 550,000 磅的推力（相比之下，SpaceX 的 Merlin 发动机在海平面每台可产生约 150,000 磅的推力，需要九台发动机才能将猎鹰 9 号火箭发射到轨道上）。双发动机集群串联在一起，可产生超过 100 万磅的推力，足以取代目前由 RD-180 占据的角色，后者从其双喷嘴喷出 860,000 磅的推力。

库克表示，一旦获得美国空军的批准（美国空军预计将从美国国家航空航天局 (NASA) 手中接管该项目），工程师们最早可在 2018 年生产出一台完整的演示发动机。

“从长远来看，我们没有理由不打印发动机的大部分部件，”库克说。“我相信增材制造将彻底改变火箭行业。”