洞悉3D打印火箭發(fā)動機推力室的技術(shù)邏輯與商業(yè)進展
魔猴君 行業(yè)資訊 1044天前
從2015年開始，中國誕生了以星際榮耀、藍箭航天、星河動力、科工火箭等為代表的商業(yè)火箭企業(yè)，雙曲線、快舟、捷龍系列商業(yè)火箭已實現(xiàn)成功入軌發(fā)射。根據(jù)航空制造網(wǎng)，中國在火箭燃料方面，正在由煤油向液氫轉(zhuǎn)換。那么在火箭的設(shè)計及燃料處于升級換代的節(jié)點上，3D打印在火箭發(fā)動機的關(guān)鍵部件：推力室方面的技術(shù)應(yīng)用邏輯與商業(yè)進展是什么樣的呢？本期，將與谷友一起，深度了解火箭推力室背后的3D打印。
火箭推力室背后的3D打印技術(shù)
3D打印在動力裝備的技術(shù)發(fā)展邏輯概括為兩點：爆發(fā)力強、安全性高。提升爆發(fā)力方面，3D打印釋放了設(shè)計與制造的自由度，例如通過優(yōu)化燃料與空氣的混合比，提升動力裝備的動能；提升安全性方面，例如通過3D打印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。
走進3D打印，了解3D打印火箭的方方面面© Relativity Space
© 《3D科學(xué)谷航天白皮書》
液體火箭發(fā)動機主要由推力室、渦輪泵、燃氣發(fā)生器、火藥啟動器和各種閥門、調(diào)節(jié)器、管路等組成。渦輪泵是由氣體渦輪、燃料泵和氧化齊泵等組成，其功用是由渦輪帶動泵，將來自貯箱的推進劑的壓力由幾百千帕提高到幾萬千帕。然后再送入發(fā)動機推力室。渦輪泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件苛刻、壓頭高，因此，設(shè)計效率高的渦輪泵也是發(fā)動機研制中的關(guān)鍵。
火箭推力室是火箭發(fā)動機重要的組成部分，火箭推力室主要有噴射器、燃燒室、噴管這三種最為主要的部件組成。
3D打印正在以其獨特的優(yōu)勢提升火箭推力室的噴射器、燃燒室、噴管這三個關(guān)鍵組件的制造水平與產(chǎn)品性能。這其中的3D打印制造技術(shù)包括PBF基于粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)、DED(送粉、送絲）定向能量沉積3D打印技術(shù)。
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3D打印火箭注射器
據(jù)了解，3D打印火箭注射器的技術(shù)邏輯是以更低的成本快速制造出復(fù)雜的注射器零件，不僅降低了成本，減少了制造周期，更復(fù)雜的注射器設(shè)計提升了注射燃料的性能表現(xiàn)。
國際上已經(jīng)大量的應(yīng)用3D打印制造火箭推力室注射器。其中，Aerojet Rocketdyne的AR1火箭發(fā)動機的單沖量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D打印機制造的。AR1是一款正在開發(fā)中的50萬磅推力級的液氧/煤油發(fā)動機，美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發(fā)動機。噴射器是用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制造的，3D打印被證明能夠以與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比很低的成本快速制造出復(fù)雜的發(fā)動機零部件。僅在主噴射器一項，3D打印就把零部件的交貨時間減少了9個月，并降低了70%的成本。
© NASA
3D打印火箭燃燒室
據(jù)了解，銅合金由于其高導(dǎo)熱性而被期望用于腔室襯里，這帶來高效的壁冷卻效果，以帶來更加安全的火箭運行水平。3D打印在銅合金燃燒室的應(yīng)用技術(shù)邏輯包括一次性整體成型帶冷卻通道的腔壁，銅合金的加工能力這兩方面的優(yōu)勢結(jié)合。
分階段燃燒循環(huán)中，推進劑流過兩個燃燒室，一個預(yù)燃室和一個主燃燒室。通過點燃預(yù)燃室中的少量推進劑產(chǎn)生的壓力可用于為渦輪泵提供動力，渦輪泵迫使剩余的推進劑進入主燃燒室。增加預(yù)燃器可以提高燃油效率，但卻需要更高的工程復(fù)雜性。
3D打印銅合金燃燒室© Launcher
2015年，美國航天局NASA 在銅質(zhì)發(fā)動機燃燒室的3D打印方面取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心開發(fā)出來的一種銅合金，打印工藝也是選擇性激光熔化。燃燒室襯里的3D打印總共為8255層，僅這一個部件打印時間為10天零18個小時。這個銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對增材制造技術(shù)來說也是一大挑戰(zhàn)。
NASA于2020年12月9日發(fā)布官方聲明，其3D打印銅合金燃燒室和高強度耐氫合金火箭發(fā)動機零件通過了23次熱火測試。NASA制造火箭推力室的燃燒室所用的銅合金GRCop-42作為具有更高導(dǎo)電性的高強度合金而得到了應(yīng)用，銅合金由于其高導(dǎo)熱性而被期望用于腔室襯里，這帶來高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強度溫度區(qū)域中。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，NASA開發(fā)了生產(chǎn)封閉壁銅合金襯里的能力，使復(fù)合材料成為腔室護套作為可行且理想的選擇。
據(jù)了解，NASA的銅3D打印工藝是通過與合作伙伴的合作開發(fā)的。Sintavia為NASA的GRCop-42 銅合金開發(fā)了專有打印技術(shù)，GRCop-42 是NASA 和私人太空飛行公司用于火箭推力室組件的首選銅合金。這項新技術(shù)結(jié)合了專有參數(shù)集和熱處理后處理，是在 EOS的M400-4 打印機上開發(fā)的，可制造最小密度為 99.94%、最小拉伸強度為 28.3 的 GRCop-42 銅組件ksi，最小極限屈服強度為 52.7 ksi，最小伸長率為 32.4%。重要的是，該技術(shù)避免了在后處理步驟中使用熱等靜壓機，從而減少了生產(chǎn)時間、復(fù)雜性并降低了成本。
而NASA在3D打印銅合金燃燒室方面取得的進展也催生了國際上火箭制造創(chuàng)業(yè)企業(yè)的熱情，包括Launcher等創(chuàng)業(yè)型企業(yè)在積極布局3D打印銅合金燃燒室的技術(shù)。
3D打印火箭推力室噴管
據(jù)了解，DED定向能量沉積增材制造工藝應(yīng)用在火箭推力室噴管的技術(shù)邏輯是：可以形成內(nèi)部冷卻通道、可以沉積雙金屬材料、免除焊接。DED定向能量沉積增材制造工藝可以直接在銅腔室的后端沉積雙金屬材料，形成帶雙金屬軸向接頭的火箭推力室噴管，構(gòu)建內(nèi)部冷卻通道，并實現(xiàn)連續(xù)冷卻，從而解決了一些設(shè)計挑戰(zhàn)和螺栓連接設(shè)計的接口問題。
DED定向能量沉積增材制造技術(shù)，允許整個推力室總成（TCA）在火箭推力室噴管的制造過程中一次性形成所有的內(nèi)部冷卻通道，從而無需進行封閉操作，這樣的好處是明顯的，不僅可以顯著減少零件和焊接操作，并使得整個推力室總成（TCA）更加可多次利用。
DED定向能量沉積增材制造技術(shù)可以加工雙金屬材料，雙金屬材料則使得火箭推力室的噴管具有優(yōu)化材料的選擇，理想情況下火箭推力室的噴管由非銅合金制成，例如高溫合金或不銹鋼材料。雙金屬增材制造材料可以幫助應(yīng)對推力室總成（TCA）中的所有結(jié)構(gòu)和動態(tài)載荷的復(fù)雜挑戰(zhàn)和要求。
歐洲方面，據(jù)觀察，2017年，GKN航空航天公司宣布已經(jīng)向法國的空中客車和賽峰集團提供了先進的Ariane 6號火箭噴管（SWAN）。
直徑為2.5米，噴管采用創(chuàng)新技術(shù)制造而成，性能更高，交貨時間更短，成本更低。通過激光焊接和激光能量沉積工藝對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件進行加工，使得噴管的零部件數(shù)量減少了90％，從約1000個零部件減少到約100個零部件。并且降低了40%的成本，減少了30%的交貨時間。
3D打印的火箭噴管© GKN
美國方面，NASA在3D打印火箭噴管方面的歷史由來已久。其中NASA的“快速分析和制造推進技術(shù)”（RAMPT）項目的三個主要目標(biāo)是：1）推進定向能量沉積（DED）技術(shù)以制造帶整體復(fù)雜內(nèi)流道的大型燃燒室和噴嘴；2）開發(fā)復(fù)合外包裝技術(shù)以減輕重量并為推力室組件提供結(jié)構(gòu)能力；3）開發(fā)雙金屬和多金屬增材制造的徑向和軸向接頭，以優(yōu)化材料性能。除了這些主要的制造開發(fā)之外，（RAMPT）項目中的分析建模工作還補充了過程開發(fā)和模擬AM增材制造過程，以減少構(gòu)建失敗和變形的發(fā)生。
2021年NASA還通過跟DM3D和奧本大學(xué)的合作，3D打印了大約2噸重的火箭噴管。大約 2 噸的增材制造全尺寸 RS25 噴管襯里的確切尺寸為 111 英寸高（281厘米高）和 96 英寸直徑（243厘米直徑）。龐大的零件是在幾個月的時間里制造出來的——與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，加工時間減少了 50% 以上。
3D打印火箭噴管© NASA
快速發(fā)展的國內(nèi)商業(yè)火箭
根據(jù)德國Fon雜志，在中國，由21歲的胡振宇于2014年在北京成立的Link Space（翎客航天）一直吸引著人們的注意，它的新線1號是可重復(fù)使用的24米長的兩級火箭。2016年，Link Space在一枚可重復(fù)使用的火箭（設(shè)計用于發(fā)射，然后返回地球）原型上進行了”懸?！睖y試。
2019年RLV-T5第三次飛行試驗任務(wù)© 翎客航天
翎客航天在火箭回收過程中使用的是獨立研發(fā)的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制導(dǎo)控制技術(shù)。該技術(shù)中的核心算法相比凸優(yōu)化方法具有結(jié)構(gòu)簡單、計算速度快、無求解器依賴等優(yōu)點。
在剛剛過去的2021年11月2日，翎客航天在江蘇某地圓滿完成“風(fēng)暴-1”型泵壓式發(fā)動機全系統(tǒng)試車。 該型液體火箭發(fā)動機于2021年4月正式立項，是翎客航天自主研制的首款泵壓式發(fā)動機。該型發(fā)動機的階段性成功，預(yù)示著翎客航天有望在未來的亞軌道可回收火箭型號中，采用自主研制的液體動力。
2020年7月，中國航空航天業(yè)實現(xiàn)了又一個里程碑，北京星際榮耀空間科技有限公司的雙曲線一號遙一長安歐尚號運載火箭（簡稱“SQX-1 Y1”）在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，按飛行時序?qū)⒍囝w衛(wèi)星及有效載荷精確送入預(yù)定300公里圓軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，實現(xiàn)了中國民營運載火箭零的突破。
2021年2月，重慶壹零空間在西北成功發(fā)射OS-X6B新型智能亞軌道火箭暨“重慶兩江之星“，首次采用3D打印姿控動力系統(tǒng)產(chǎn)品飛行。
2021年7月，深藍航天完成了首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）自由飛行，即被稱之為“蚱蜢跳”的運載火箭垂直回收飛行試驗。
總體而言，中國已加入成熟的航天國家行列：在2020年，中國超過俄羅斯，幾乎與美國持平，完成了39次發(fā)射。自從中國于2014年開始允許私營公司參與以來，其國內(nèi)太空部門一直在蓬勃發(fā)展。涉及的公司數(shù)量已從2018年的30家增加到一百多家，而且還在不斷增加中。
就在2021年4月，東方空間天使輪融資4億元，投資方除了紅杉中國、經(jīng)緯中國，還有源于清華的基金SEE FUND以及三一集團、聞泰科技等。在戰(zhàn)略規(guī)劃上，東方空間希望花7年時間成為國際一流的商業(yè)航天企業(yè)。
《3D打印與工業(yè)制造》：3D打印技術(shù)正在催生火箭制造的新賽道，已成為火箭制造過程中的中流砥柱技術(shù)。
深藍航天
國內(nèi)商業(yè)航天的發(fā)展需要更多的力量并肩齊驅(qū)，江蘇深藍航天有限公司（深藍航天）成立于2017年，聚焦在液體回收復(fù)用運載火箭方向，是并提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)的商業(yè)航天高新企業(yè)。深藍航天總部位于江蘇省南通市，在北京亦莊和陜西西安分別設(shè)有火箭總體、液體發(fā)動機研發(fā)中心；在陜西銅川建有火箭動力系統(tǒng)測試基地。
2021年7月，深藍航天完成了首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）自由飛行，即被稱之為“蚱蜢跳”的運載火箭垂直回收飛行試驗。2021年10月13日，深藍航天再次成功完成百米級VTVL垂直回收試驗；并將按計劃執(zhí)行“星云-M”試驗箭的公里級高空垂直起降回收飛行試驗，以及20噸級液氧/煤油發(fā)動機“雷霆-20” 的整機試車。
深藍航天LT-5發(fā)動機大量選用3D打印技術(shù)，利用先進的打印設(shè)備最大限度發(fā)揮鎳基高溫合金粉末材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等優(yōu)質(zhì)特性，成功突破傳統(tǒng)火箭發(fā)動機制造模式的低生產(chǎn)效率、復(fù)雜工藝路線、周期長的瓶頸。
深藍航天目前正在研制中的新型發(fā)動機同樣選擇了經(jīng)過驗證的3D打印技術(shù)和后處理工藝，新交付的發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件最大尺寸達到600mm×600mm×600mm。
通過一系列的研制測試，自主掌握了3D打印粉末選型、增材制造形性控制、增材流道結(jié)構(gòu)表面高質(zhì)量磨料流光整等多項關(guān)鍵技術(shù)，具備了產(chǎn)品多行面、多腔道、再生冷卻通道等復(fù)雜精密構(gòu)件的增材制造研制能力。
根據(jù)經(jīng)緯創(chuàng)投，2020年的一個顯著變化是，大量的太空任務(wù)是由經(jīng)濟和國家安全驅(qū)動，而不僅僅是實驗室科研。隨著美國已經(jīng)形成NASA負責(zé)深空探索，民營的SpaceX等公司負責(zé)降成本、商業(yè)化的航空航天新格局，民營公司正扮演越來越重要角色。經(jīng)緯創(chuàng)投亦在此領(lǐng)域積極布局，投資了星際榮耀、藍箭航天、銀河航天、長光衛(wèi)星、天儀研究院、遨天科技等企業(yè)。
商業(yè)航天市場參與主體
商業(yè)航天增材制造方面，最終的贏家不僅要有核心的設(shè)計實力，還需要多點建立競爭壁壘，譬如在設(shè)備端從設(shè)備開發(fā)商和材料開發(fā)商借力，通過開發(fā)特殊的3D打印設(shè)備及特殊的材料進一步拉高技術(shù)與制造壁壘，同時還需要搭建軟件實力，將數(shù)據(jù)流中的價值提取出來，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為企業(yè)前進的動力“燃料”。
來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/41551.html
