首个3D打印气尖火箭引擎飞行成功！德国重型太空飞机的渐进蓝图

在航天工业的发展历程中，推进系统始终是制约航天器性能的关键瓶颈。

2024年10月29日，波罗的海上空见证了航天史上的一个重要时刻：

德国POLARIS公司的MIRA II验证机成功点燃了搭载的AS-1气尖式火箭引擎，实现了公开信息披露的全球首次3D打印气尖式火箭引擎的飞行测试。

这款由3D打印技术打造的创新推进系统在三秒钟的点火过程中，为这架5米长、229公斤重的验证机提供了900牛顿的推力，实现了每秒4米/秒²的加速度。

这次突破性的飞行测试中，MIRA II在四台煤油涡轮发动机的推动下，按照预定航线完成自动驾驶飞行，随后成功实现了AS-1液氧/煤油线性气尖式火箭引擎的点火。

这不仅标志着增材制造技术在航天核心部件中的重要突破，或许更预示着太空运输概念的可能性的进一步提高。

这篇文章我们来看看事件背后的德国公司Polaris的宏伟蓝图以及其有趣的工作进展。

为什么是气尖引擎？

为了帮助读者更好地理解气尖式火箭引擎的革命性突破，我们需要首先了解传统火箭发动机面临的核心挑战。

传统火箭发动机采用钟形喷管设计，其工作原理是将高温高压的燃烧气体通过收缩-扩张的喷管加速喷出，产生推力。

然而，这种设计存在一个根本性问题：喷管的形状只能针对某一特定高度的大气压力优化。

当火箭上升到不同高度时，由于大气压力的变化，发动机的效率会显著降低。

气尖火箭引擎则通过巧妙的设计解决了这一问题。

不同于传统的钟形喷管，气尖发动机采用一个中心"楔形体"（即"气尖"）来引导燃烧气体的膨胀。

这个设计的独特之处在于，随着高度的增加和大气压力的降低，燃烧气体会自动调整其膨胀方式，始终保持最佳的推进效率。

正是这种自适应特性，使得气尖发动机在理论上可以比传统火箭发动机提供更高的平均性能。

但长期以来，这种发动机的实现却面临着两大技术障碍：

首先是复杂的几何结构难以通过传统机械加工方法制造；其次是发动机工作时产生的巨大热量难以有效散去。

3D打印技术的突破为解决这些难题提供了新的可能。

通过金属增材制造，工程师们可以实现传统加工方法难以完成的复杂内部冷却通道，同时优化整体结构以减轻重量。

从实验室到蓝天：POLARIS的技术验证之路

POLARIS公司在这次测试之前采用渐进式的技术验证战略，通过一系列尺寸和复杂度逐步提升的演示机型来降低开发风险。

这一发展路径始于2020年首飞的STELLA（VCN-001），这款2.5米长的初代验证机采用双涡轮喷气发动机配置，主要用于验证气动特性和可控性。

随后的ALEDA（VCN-002）将机翼面积扩大一倍，采用四台电动涵道风扇推进，于2022年10月首飞，截至年底已完成19次飞行测试。

更具突破性的是ATHENA（VCN-003），这款由德国联邦军方委托开发的120公斤级演示机，配备了超视距遥测和半自动飞控系统，为后续整合液体火箭发动机奠定了基础。

MIRA系列：气尖火箭引擎的突破

MIRA（VCN-004）是POLARIS发展历程中的重要转折点。

这款4.25米长、210公斤重的演示机专门用于验证线性气尖式火箭引擎的飞行性能。

气尖式火箭引擎相比传统钟形喷管火箭引擎具有显著的性能优势。

2023年10月，MIRA在佩内明德机场完成首飞。

虽然在2024年2月的一次跑道事故中受损，但这次挫折反而促使公司开发出更先进的MIRA II和MIRA III双子星项目。

新一代的MIRA II和MIRA III长度达到5米，机翼面积增加30%，

但重量仅增加几个百分点，体现了显著的工程进步。

最新的测试显示，如前文所描述，其搭载的AS-1气尖发动机增材制造技术生产的发动机采用箭型喷管设计，不仅实现了减重，还能根据不同高度和压力自动调节性能。

面向未来的全方位技术路线

作为最终演示验证平台，公司计划于2025年首飞的NOVA（VCN-005）将整合此前所有技术成果。

这款7-8米长的验证机将展示安全、可重复的火箭动力超音速飞行能力，并在此基础上完成机场运营的全部监管要求。

POLARIS的技术路线图显示，公司计划在2027年推出轻型太空飞机Aurora。

以下内容，根据AM易道理解，属于长期目标，尚处于演示阶段，未见实际公开成果。

这款的设计目标是将能够实现从普通机场起降，无需专门发射场，可搭载最高1000公斤轨道载荷或10000公斤亚轨道载荷。

更远大的目标是在2030年代初期推出完全可重复使用的重型轨道太空飞机，这将为航天运输带来革命性的成本降低。

这款计划于2028年投入运营的多用途飞行器计划具备五大核心应用场景：

首先是卫星和轨道货运发射，通过两级入轨方案可将发射成本降低2-3倍；

其次是亚轨道和高超声速研究，实现实验的可重复性和样本回收；

在国防领域，其独特的飞行包线（超过100公里高度和10马赫速度）具有显著优势；

此外，在超高速运输和载人亚轨道飞行方面也具备升级潜力。

重型太空飞机的宏伟蓝图

POLARIS公司为2030年代初期描绘了一幅雄心勃勃的愿景：

开发一款完全可重复使用的重型轨道太空飞机。

这一设想的核心价值在于能够将发射成本较传统火箭降低至少一个数量级，这种突破性的成本优势将从根本上改变太空运输的经济模型。

在航天界，完全可重复使用的单级入轨（SSTO）飞行器一直被视为太空运输的圣杯。

然而，要实现一个具有实用载荷能力的完全可重复使用SSTO系统，以当今的技术水平而言仍然处于可行性边界上。

面对这一挑战，POLARIS提出了"半单级入轨"或"1.5级"概念。

这种渐进式方案的精妙之处在于，可以随着技术的成熟逐步向完全的SSTO演进。

根据POLARIS的设想，这款重型太空飞机的应用前景极为广阔：它不仅能够完成往返太空站的载人和货运任务，发射卫星和其他航天器，还将承担太空碎片清理等维护太空环境的重要使命。更远大的目标是，它还将支持月球和太阳系深空探测任务的开展。

POLARIS的背景

POLARIS并非普通的航天创业公司。从其各项公开信息可以看出，这家德国初创企业已经成功打入德国航天工业的核心圈层。公司曾经的展台位于德国联邦国防军和德国航空航天工业联合会的联合展区内，这种安排凸显了其在德国航天战略中的特殊地位。

更值得关注的是公司的军方合作背景。根据原始资料，ATHENA（VCN-003）就是在德国联邦军方的合同支持下开发的，用于"快速部署侦察系统"项目。此外，公司的气尖

火箭发动机研究也部分来自联邦军方的研究合同支持。

这种紧密的军方联系为公司提供了稳定的技术研发资金和应用场景。

在民用航天领域，POLARIS同样具备高层次的战略合作网络。

据公开信息，在曾经参加的展会期间，公司与德国总理朔尔茨、德国航天政策联邦政府协调员，以及法国国家空间研究中心主任等进行了深入交流。

特别是与德国太空司令部司令和网络信息司令部副司令的会谈，进一步展现了公司在国防应用方面的战略布局，并

积极融入德国新一代军事技术创新体系。

AM易道最后聊两句

AM易道认为，POLARIS公司的敢想敢干值得尊敬。

且从其历次版本的测试中，可以看到增材制造技术已经深入到航空航天等高端制造领域的核心部件应用。

从技术角度看，气尖发动机一直是航天推进系统的理想选择之一，它能够自适应不同高度的大气压力，提供更高的推进效率。

然而，这种发动机的实现却长期受制于其复杂的几何结构和严苛的散热要求。

虽然公开信息并没有展示3D打印技术是具体做了哪些结构，但AM易道推测可能是实现内部冷却通道，同时显著减轻整体重量这些要素。

并且对于POLARIS这样经常迭代各种飞行器版本的团队来说，3D打印缩短了验证周期。

POLARIS通过3D打印的渐进式技术验证策略为我们展示了航天创新的务实路径。

展望未来，AM易道期待一个更加经济、灵活和可持续的太空运输新时代即将到来。

Reference:
1. https://www.polaris-raumflugzeuge.de/Technology
2. https://www.3dnatives.com/en/polaris-spaceplanes-tests-a-3d-printed-aerospike-rocket-engine-020120254/
3. https://www.polaris-raumflugzeuge.de/Technology/Demonstrators
4. https://www.polaris-raumflugzeuge.de/Technology/Aerospike-Engines
5. https://www.polaris-raumflugzeuge.de/Technology/Light-Spaceplane-AURORA
6.https://www.polaris-raumflugzeuge.de/News
7. https://newatlas.com/aircraft/worlds-first-successful-aerospike-rocket-flight-test/