歐洲航天局開展全尺寸3D打印銅合金推力室首次熱試

魔猴君  行業資訊   1593天前

2020年5月26日，歐洲航天局（ESA）在德國航空中心（DLR）對一個完全增材制造的火箭推力室進行了熱試車。第一次測試持續了30秒，預計在本周內進行其他測試。ESA將對測試數據進行收集與分析。

測試中的3D打印推力室。來源：ESA

集成冷卻流道

根據ESA, 進行測試的3D打印推力室僅有三個零件，可為未來火箭的上層提供動力。增材制造推力室零件數量由數百個減少的三個，縮短了生產時間，降低了成本，顯著提高液體推進發動機在歐洲運載火箭中的競爭力。

進行測試的全尺寸推力室具有3D打印銅合金襯里，該襯里具有集成的冷卻通道，其外層為冷氣噴涂建立的高強度外套。3D打印推力室的歧管和整體式噴油也是增材制造的。這些3D打印零件的生產和測試工作已在ESA的“未來發射器”準備計劃中進行。

ESA 表示，這次測試的全尺寸3D打印推力室是基于2019年通過ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID為擴展循環技術集成演示器）熱試車中驗證的技術與方式。ESA 總共測試過ETID的四種配置，ETID 具有三種新燃燒室幾何形狀和設計。還測試了兩個不同的噴油器頭，包括全3D打印的噴頭，以及一個可再生噴嘴，該噴嘴通過最大程度地吸收熱量來優化發動機循環。燃燒室和噴嘴都利用燃燒熱來預熱，因此在燃燒之前“膨脹”氫推進劑。冷氫的流動還具有冷卻硬件的作用，在運行期間將溫度保持在合理的范圍內。

 ESA 總共對ETID進行了23次測試，總運行時間為2707s。在測試期間，達到了49個不同的工作點，包括測試“極端”狀態下的行為，例如增加系統中冷氫的流量，并因此在運行期間對硬件進行“過冷”冷卻。測試顯示了ETID設計的多功能性，并可在較寬的混合比和腔室壓力范圍內運行。多個工作點也將有助于校準，用于設計后續發動機并預測其性能的數值模型。

Review

今年5月以來，我們接連看到了航天3D打印應用所取得的矚目成績。

5月5日18時，“胖五”家族新成員長征五號B火箭搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，從海南文昌航天發射場點火升空，正式拉開了我國載人航天工程“第三步”任務的序幕。新一代載人飛船試驗船不僅完成了首次3D打印太空實驗，還搭載了世界首個基于金屬3D打印技術的立方星部署器。同期，中國航天科技集團有限公司一院211廠研制的全3D打印芯級捆綁支座順利通過飛行考核驗證。

北京時間 5 月 31 日，SpaceX 最新的載人龍飛船在美國肯尼迪航天中心 39A 發射臺成功發射。運載火箭獵鷹9號和載人龍飛船以及兩名宇航員頭盔的制造中，3D打印都發揮了重要作用。

3D打印已成為航天制造領域的一項核心技術，對此已無需多言。尤其是在火箭發動機制造領域，3D打印已成為航天制造機構搶灘下一代經濟性、可重復利用火箭發動機的重要“籌碼”。在ESA 近日試車中涉及到的3D打印推力室，是火箭發動機增材制造的一條關鍵競爭賽道。

l “百家爭鳴”之勢

銅合金推力室部件

Aerojet Rocketdyne 使用粉末床選區激光熔化3D打印技術制造的銅合金推力室部件，在2017年通過了美國Defense Production Act Title III項目管理辦公室進行的點火測試。通過測試的3D打印銅合金推力室部件是全尺寸的，這款推力室將替代目前的RL10C-1發動機的推力室部件。3D打印的銅合金推力室部件由兩個銅合金零件構成。相比傳統的制造工藝，選區激光熔化3D打印技術為推力室的設計帶來了更高的自由度，使設計師可以嘗試具有更高熱傳導能力的先進結構，如集成內部冷通道。而增強的熱傳導能力使得火箭發動機的設計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發射技術所需要的。

美國航天局（NASA）在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進展，制造技術也是選區激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項技術制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進行逐層打印，打印時間為10天零18個小時。2019年，NASA 又公布了一種新型銅合金3D打印材料GRCop-42，這是一種高強度，高導電率的銅基合金材料，可用于生產近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內襯和燃料噴射器面板。

材料：IN718 鎳鉻合金；設備：SLM?280。來源：SLM Solutions

CellCore公司與SLM Solutions密切合作，使用鎳基高溫合金與選區激光熔化技術，成功實現了多功能推力室的一體化成型。在3D打印推力室中，冷卻管道是設計中的一部分，并在同一生產過程中與整個腔體一起成型。一體化的火箭發動機，結合噴射器和推力室，將眾多的單個部件簡化為一個，只有通過激光選區熔化工藝才能實現多功能集成的輕量化結構。CellCore公司所開發的內部結構遍布整個火箭發動機，不僅適用于傳熱，而且提高了構件的結構穩定性。

集成百余條冷卻流道

2019年，中國的深藍航天液氧煤油發動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優化設計，大量采用3D打印工藝，實現了國內液氧煤油火箭發動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。

來源：深藍航天

鉑力特承擔了此次試車發動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D打印工作。發動機噴注器殼體和推力室身部均為航天發動機關鍵零部件，使用環境苛刻，零件內部有百余條冷卻流道，使用傳統工藝銑削、焊接工藝不僅制造周期長、成本高，零件性能也難以得到保證。

控制內部冷卻通道表面粗糙度

年輕的航天企業Rocket Lab在火箭發動機推力室制造領域進行了知識產權布局。根據3D科學谷的市場觀察，在相關專利中，Rocket Lab強調了選區激光熔化技術控制火箭發動機冷卻劑流動通道表面粗糙度的獨特能力：

首先，增材制造能夠實現出小的凸塊特征，脊，突起，凹谷等設計，這些特征用于在冷卻劑流動通道的特定區域中提供局部變化。

第二，通過調整增材制造技術的加工參數和粉末可以產生不同的表面粗糙度。例如，選區激光熔化金屬3D打印加工過程中通常使用的粉末顆粒的平均粒徑通常可以在30μm至110μm之間。

以上幾個3D打印案例，雖只是航天發動機增材制造賽道中的冰山一角，但仍能看到，使用激光選區熔化技術進行增材制造時，冷卻通道直接成為了整體設計中的一部分，并在同一生產過程中與整個腔體一起成型，這也是3D打印應用到推力室以及其他熱管理領域的魅力。

來源：3D科學谷