Немецкая аэрокосмическая компания POLARIS Spaceplanes завершила успешные испытания своего демонстрационного аппарата MIRA II, оснащенного двигателем “аэроспайк“. Пятиметровый прототип оснащен 3D-печатным линейным ракетным двигателем AS-1 компании POLARIS.
MIRA II служит ступенькой на пути к полноразмерному космическому самолету AURORA, который должен начать полеты в 2028 году. MIRA II был разработан после того, как оригинальный демонстратор MIRA разбился во время первой попытки полета в мае 2024 года. С тех пор новая система прошла трехсекундный запуск двигателя на взлетно-посадочной полосе, а затем успешно провела испытания в полете над Балтийским морем. Беспилотный демонстратор взлетел с аэродрома Пенемюнде, в Германии, используя четыре реактивных двигателя. Достигнув точки зажигания, MIRA II выполнил трехсекундный запуск своего аэрокосмического двигателя AS-1 на 1 кН LOX/керосина (LOX – Liquid OXygen), достигнув ускорения 4 м/с² и тяги 900 ньютонов.
Это первое в истории испытание линейного аэрокосмического двигателя в полете, что стало важной вехой для стартапа из Бремена.
Рис.1 Цифровой рендер будущего аэрокосмического аппарата POLARIS Spaceplanes. Изображение POLARIS Spaceplanes.
3D-печать обеспечивает аэрокосмические самолеты POLARIS
В отличие от обычных ракетных двигателей с колоколообразными соплами, в двигателях Aerospike используется клинообразный “шип” для придания формы выхлопным газам. Эта инновационная конструкция устраняет необходимость в фиксированном сопле, снижая вес, повышая эффективность и позволяя непрерывно регулировать тягу на разных высотах. Эти новые двигатели создают экстремальные температуры в полете, требуя большого количества сложных и замысловатых охлаждающих каналов. Такое усложнение заставило разработчиков аэрокосмических аппаратов, таких как POLARIS Spaceplanes, использовать аддитивное производство при их разработке и производстве. В прошлом году компания получила два 3D-печатных двигателя AS-1 от немецкой компании AM Global, занимающейся аддитивным производством. Хотя эти первоначальные двигатели использовались для наземных испытаний, AM Global также напечатала на 3D-принтере два более легких двигателя для летных испытаний, предназначенных для демонстраторов MIRA.
Во время трехсекундного полета двигатель MIRA II работал при пониженном давлении в камере, чтобы обеспечить богатое топливом сгорание. Как сообщается, это позволило инженерам POLARIS собрать данные о производительности, подвергая компоненты двигателя минимальному стрессу. Бортовая камера MIRA II обнаружила небольшую утечку в отсеке бака LOX, из-за чего во время трехсекундного сгорания двигателя был закрыт люк доступа. Несмотря на это, компания сообщила, что демонстратор благополучно приземлился, завершив успешный испытательный полет. В будущем POLARIS продолжит тестирование и проверку эксплуатационных возможностей 3D-печатного двигателя Aerospike в полете в рамках интенсивной программы летных испытаний. POLARIS также будет работать над активацией двойника демонстратора, MIRA III, чтобы создать резерв и повысить гибкость испытаний. По мере проведения испытаний компания будет постепенно увеличивать давление в камере двигателя, чтобы оптимизировать эффективность сгорания и тягу. Результаты дополнительных испытаний MIRA лягут в основу следующего демонстратора космических летательных аппаратов компании – NOVA. Этот испытательный самолет, как сообщается, будет иметь длину от 7 до 8 метров и станет последним этапом перед созданием полноразмерного аппарата AURORA.
Рис.2 Демонстратор MIRA II компании POLARIS Spaceplane. Фотография POLARIS Spaceplanes.
3D-печать аэрокосмических двигателей
Аэрокосмические двигатели, как считается, обладают заметными преимуществами перед обычными ракетными двигателями с 1950-х годов. В последние годы развитие технологии аддитивного производства металлов позволило получить свободу дизайна, необходимую для более эффективного изготовления этих передовых силовых установок. В 2017 году Университет Монаша, Amaero (дочерняя компания Монаша), Next Aero и Woodside Energy совместно изготовили и испытали “Проект X” – 3D-печатный двигатель для аэрокосмических аппаратов. Этот двигатель был разработан и изготовлен всего за четыре месяца. “Высокопрочный никелевый суперсплав Hastelloy X был применен при аддитивном производстве с помощью селективного лазерного плавления (SLM) на металлическом 3D-принтере EOS M280. По словам руководителя проекта Грэма Белла, 3D-печать позволила команде добиться уникальных конструктивных особенностей, таких как “геометрия сопла” и “встроенная сеть охлаждения”. Аддитивное производство позволило команде создавать и 3D-печатать сложные конструкции, которые можно было тестировать, дорабатывать и повторно печатать в течение нескольких дней, а не месяцев, необходимых для традиционных методов производства.
Два года спустя Институт Фраунхофера по материалам и пучковым технологиям IWS и Институт аэрокосмической техники (ILR) ТУ Дрездена объединили усилия, чтобы продвинуть разработку двигателя аэрокосмического аппарата с помощью 3D-печати. Команда создала напечатанный на 3D-принтере двигатель Aerospike с тягой 500 ньютонов. Однако во время испытаний возникли проблемы с системой охлаждения и впрыском топлива. В 2022 году компания Hyperganic, специализирующаяся на программном обеспечении для инженерного проектирования, изготовила, как утверждается, самый большой в мире 3D-печатный двигатель “аэроспайк”. Мюнхенская компания сгенерировала сотни жизнеспособных проектов, один из которых был напечатан на системе EOS M 400-4 из сплава Inconel 718 с без использования поддержек. Затем алгоритм искусственного интеллекта был использован для автоматического реинжиниринга детали для 3D-печати с использованием CuCrZr на более крупном 3D-принтере AMCM M 4K.
Рис.3 3D-печатный двигатель Aerospike Engine от AMCM и Hyperganic.
Рис. 4 Сравнение традиционного реактивного двигателя и “аэроспайк”
