这些 3D 打印发动机可以为太空火箭或高超音速武器提供动力

在《实力悬殊》中，我们仔细研究了国防工业的核心科学和技术——士兵和间谍的世界。

在落基山脉下方的科罗拉多平原，靠近古朴的伯特胡德镇，坐落着一家名为 Ursa Major 的太空公司的总部。这家公司位于丹佛以北约一小时车程的地方，定期在现场掩体后方直接试射火箭发动机。

这些发动机大多是 3D 打印的，不仅用于将卫星发射到太空：美国军方也对它们感兴趣，因为它们可以推动高超音速飞行器。它们的双重用途是火箭技术一直以来的两面性的现代体现，即它既可用于防御和进攻目的，也可用于宇宙探索。

凭借这项技术，该公司希望能够启动民用和军用项目。

3…2…1…升空

乔·劳伦蒂 (Joe Laurienti) 于 2015 年创立了 Ursa Major，他从小就住在伯特胡德附近。他的父亲曾在 Ball Aerospace 工作，这是生产大量铝罐的公司的宇宙部门，也是 Ursa Major 目前占地 90 英亩的场地的前所有者。“他一直在研究卫星，”劳伦蒂说。但当劳伦蒂去看他父亲的一个有效载荷发射时，他想，“我爸爸研究的东西真的很重要。它在火箭顶部。但从底部冒出的火更令人兴奋。”

从那时起，劳伦蒂就一直在追逐那团火焰，他的生活被推进技术所占据：这项技术使火箭上升速度足够快，以抵消重力并进入轨道。成年后，他加入了 SpaceX 的推进团队，然后转投蓝色起源——成功收购了由著名亿万富翁拥有的三家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。）

不久，劳伦蒂看到业内其他人也开始尝试创办商业火箭公司。他也许有偏见，认为这不是一个好主意：首先成立的重量级企业显然会获胜，而其他人只是失败者。

尽管如此，他认为自己有一家初创公司可以为这一组合做出贡献：这家公司不会制造整个火箭，而只制造发动机，出售给火箭公司——就像通用电气制造波音或空客飞机的发动机一样。“我的职业生涯都在研究发动机，这对该行业来说一直是一个痛点”，劳伦蒂说。

当然，火箭发动机对于将太空飞行器向上推起来说非常重要。“过去 10 年，超过 50% 的发射失败与推进有关，”Ursa 工程副总裁比尔·默里 (Bill Murray) 解释说，他认识劳伦蒂，因为他们都是南加州大学的本科生。你可以认为这意味着火箭一半的复杂性存在于发动机内部。从火箭制造商的方程式中去掉这一点？理论上，他们的工作会变得容易得多。

“这是航空航天业的下一波浪潮，”劳伦蒂想道。“这是专业化。”

有了这个想法，他卖掉了 SpaceX 股票，为新事业做准备。“我没有买房和生孩子，而是买了一台 3D 打印机，创办了这家公司，还让我妈妈哭了，”他说。

3D 打印发动机和整枚火箭

3D 打印机是 Laurienti 愿景的关键。如今，Ursa 发动机的 80% 都是用金属合金 3D 打印而成的，而且是作为一个整体打印的，而不是后来焊接在一起的独立零件。大多数太空公司在一定程度上使用增材制造（3D 打印的另一种说法），但一般来说，他们不会用 3D 打印来打印大部分硬件。而且，他们通常也不会在设计太空玩具时利用 3D 打印的特殊特性，比如将复杂的硬件制成一个零件，而不是数百个零件。

这种心态对另一家公司 Relativity Space 来说也很重要，该公司已经用 3D 打印了整枚火箭，包括发动机。该公司的 Terran 1 火箭是地球上最大的 3D 打印物体。该团队曾于 3 月 8 日和 11 日尝试发射火箭，但由于地面设备、燃料压力和自动化系统的问题，两次发射都失败了。

与劳伦蒂一样，Relativity 创始人蒂姆·埃利斯 (Tim Ellis) 注意到传统太空公司不愿完全采用 3D 打印技术。埃利斯是他前雇主蓝色起源 (Blue Origin) 的第一个从事金属 3D 打印的人；他当时是一名实习生，迫切希望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，埃利斯继续在公司创办并领导金属 3D 打印部门。

但像蓝色起源这样的传统太空公司通常采用 3D 打印的方式对他来说并不适用，因为他觉得这种方式并不总是包括设计零件以利用增材制造的独特功能。“Relativity 制造的每个 3D 打印部件都不可能通过传统制造方式制造，”埃利斯说。这种方法的结果是“最终看起来结构高度集成，[因为]例如，我们的火箭发动机的许多部件都是单件制造的。”在传统制造中，这些单件将由多达数千个单独的零件组成。

他认为现在应该会有更多人加入这一阵营。“说实话，3D 打印的采用速度比我预期的要慢得多，”他说。“我认为这是因为人们迟迟没有意识到这不仅仅是一种制造技术。这是一种开发产品的新方法。”

五倍音速

最初，Ursa Major 的商业模式专注于太空发射：将物体送入轨道，这个过程由该公司的第一款发动机 Hadley 提供动力。该设计目前仍在生产中，使用液氧和煤油产生 5,000 磅推力。这大约与 Rocket Lab 的小型 Electron 飞行器或 VirginOrbit 的 LauncherOne 太空飞机上的发动机相同。

但后来，一位早期客户（劳伦蒂没有透露其姓名）向该公司提出了另一种应用：高超音速飞行器。这些飞行器的设计飞行速度是音速的五倍以上，可在地球大气层内飞行。通常，当人们讨论高超音速飞行器时，他们指的是快速移动、机动性强的武器。

“嘿，我们从别人那里购买了火箭发动机，但它们并不是真正为高超音速量身定制的，”劳伦蒂回忆起这位客户说的话。“你们还处于早期开发阶段。你能做一些改变吗？”

他们可以做到，尽管这不像拨动开关那么简单。高超音速飞行器通常从空中发射——从飞机底部——而火箭通常从地面发射进入太空。高超音速飞行器也停留在大气层内。在高速飞行的情况下，后者出奇地困难。

就像用手摩擦织物会使两者变暖一样，将超音速飞行器与空气摩擦也会使两者的温度升高。“你周围的大气发出红光，试图吞噬你的飞行器，”劳伦蒂说。这种热量会在飞行器周围形成等离子体，也使通信信号难以通过。在这种恶劣的环境中维持高速和正常运行的机器仍然是一项挑战。

但该公司似乎已经找到了如何让哈德利发动机（目前已是第四代）既能将火箭发射到太空，又能推动停留在地球大气层内的高超音速飞行器。作为 Ursa Major 合同的一部分，军方希望该发动机为空军研究实验室运行的 X-60A 飞机提供动力。X-60A 是作为高超音速技术可以飞行的系统而建造的，目的是测试它们的性能，并为工程师提供一种方法来记录武器的行为。

高超音速武器是一种快速的地面导弹，实际上并不比洲际弹道导弹 (ICBM) 快，后者携带核弹头，沿弧线上升到太空，然后返回目标。但它们引起了军方的兴趣和担忧，因为它们不必像洲际弹道导弹那样遵循可预测的轨迹，这意味着它们更难追踪和击落。俄罗斯、中国、印度、法国、澳大利亚、德国、日本、朝韩两国和伊朗都有高超音速武器研究计划。

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武器，因此既有防御因素，也有进攻因素。这也是美国国防部在高超音速研究上投入数十亿美元的原因之一，此外，它还希望跟上其他国家的技术能力。当然，这通常会让其他国家想要跟上步伐或领先，从而导致每个人都在研究上投入更多资金。

长期存在的二元性

火箭技术经常被吹捧为人类探索和实现宏伟梦想的一种方式，它一直与军事有着联系——虽然不是隐性联系，但非常明显。“[纳粹德国的] V-2 火箭是洲际弹道导弹的前身，”加州理工学院历史学助理教授丽莎·露丝·兰德 (Lisa Ruth Rand) 说，她专注于太空技术及其后续发展。

至少在最初，太空火箭基本上是弹道导弹。毕竟，无论它打算飞向何方，强大的火力就是强大的火力。从太空时代一开始就是这样的。“发射人造卫星的 R-7 火箭是第一批投入使用的洲际弹道导弹之一，”兰德说。她继续说，第一批美国宇航员乘坐经过改装的红石弹道导弹进入太空。随后出现了 Atlas 火箭和 Titan 火箭，它们甚至与制造它们的美国导弹同名。

火箭和飞行武器也具有某种哲学血统，即它们赋予那些体验其射击的人潜意识的意义。“它们确实在很多方面缩小了世界的时间和空间，”兰德说。“无论是发射武器还是卫星，进入世界的另一部分确实让世界变得更小了。”

如今，导弹技术的发展总体上已经与太空发射技术脱钩，因为用于轨道的火箭是专门为此目的制造的。但重要的是不要忘记它们的起源。“它们仍然都是 V-2 和这些军用火箭的后代，”兰德说。“而且它们中的大多数仍然发射国防部的有效载荷。”

在很多方面，既可以为超音速飞行器提供动力，又可以将卫星发射到轨道上的 3D 打印火箭发动机是从一开始就存在的二元性的 21 世纪体现。“也许它只是把安静的部分大声说出来，”兰德说。“这里发生的事情——情况一直如此。但现在我们只是非常清楚地表明，‘是的，这必须用于两者。我们正在建立一家公司，这是我们的市场，是的，火箭主要有两个用途：卫星和发射武器。’”

“胸口一阵剧痛”

毫不奇怪，超音速能力得到了美国人的大力宣传——但并非所有人都当之无愧。正如国防研究人员最近在《科学美国人》中指出的那样，几十年来，美国一直将弹道导弹安装在可操纵机动再入飞行器（MaRV）上。尽管它们只能在飞行结束时转向，但它们仍然可以改变路径。同样，科学家们继续说，虽然低空飞行的超音速导弹在接近之前可能会躲避雷达，但美国并不完全依赖雷达进行导弹防御：它还有红外寻的卫星，可以发现像哈德利这样的燃烧火箭发动机。

不过，据跟踪联邦合同和奖项的网站 USA Spending 称，美国空军一直对 Ursa Major 可能为其高超音速研究做出的贡献很感兴趣，并已与该公司合作资助了七个项目。事实上，美国空军是 Ursa Major 唯一的政府客户，已在高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 四个联邦奖项中的两个。

近来，出于国家安全考虑，美国正在减少对俄罗斯火箭发动机的依赖。为此，Ursa Major 正在开发一种名为 Arroway 的新型发动机，其推力高达 20 万磅。该公司去年 6 月表示：“Arroway 发动机将是极少数商用发动机之一，当它们组合在一起时，可以取代俄制 RD-180 和 RD-181，美国发射公司已不再提供这两种发动机。”该公司还在开发第三种中间型号的发动机，名为 Ripley，是 Hadley 的放大版。

如今，Ursa Major 每天最多测试三次 3D 打印发动机。每天，伯特胡德的游客可能都会在不知情的情况下接近六到九个高功率实验。当静态火箭发动机开始测试时，低温产生的大量蒸汽云会笼罩工程师。

“当它着火时，你会感到一阵震惊，”劳伦蒂说。一股火焰从发动机后部喷出，直冲掩体后面的一堆沙地。旁观者迎着火焰，背对着群山，眼睛盯着目标。

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