洞悉3D打印火箭發動機推力室的技術邏輯與商業進展

魔猴君  行業資訊   1206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火箭企業，雙曲線、快舟、捷龍系列商業火箭已實現成功入軌發射。根據航空制造網，中國在火箭燃料方面，正在由煤油向液氫轉換。那么在火箭的設計及燃料處于升級換代的節點上，3D打印在火箭發動機的關鍵部件：推力室方面的技術應用邏輯與商業進展是什么樣的呢？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

3D打印在動力裝備的技術發展邏輯概括為兩點：爆發力強、安全性高。提升爆發力方面，3D打印釋放了設計與制造的自由度，例如通過優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科學谷航天白皮書》

液體火箭發動機主要由推力室、渦輪泵、燃氣發生器、火藥啟動器和各種閥門、調節器、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。然后再送入發動機推力室。渦輪泵結構復雜、工作條件苛刻、壓頭高，因此，設計效率高的渦輪泵也是發動機研制中的關鍵。

火箭推力室是火箭發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勢提升火箭推力室的噴射器、燃燒室、噴管這三個關鍵組件的制造水平與產品性能。這其中的3D打印制造技術包括PBF基于粉末床的金屬熔化3D打印技術、DED(送粉、送絲）定向能量沉積3D打印技術。

© 《3D科學谷航天白皮書》

3D打印火箭注射器

據了解，3D打印火箭注射器的技術邏輯是以更低的成本快速制造出復雜的注射器零件，不僅降低了成本，減少了制造周期，更復雜的注射器設計提升了注射燃料的性能表現。

國際上已經大量的應用3D打印制造火箭推力室注射器。其中，Aerojet Rocketdyne的AR1火箭發動機的單沖量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D打印機制造的。AR1是一款正在開發中的50萬磅推力級的液氧/煤油發動機，美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發動機。噴射器是用選擇性激光熔化（SLM）技術制造的，3D打印被證明能夠以與傳統制造技術相比很低的成本快速制造出復雜的發動機零部件。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

據了解，銅合金由于其高導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用技術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勢結合。

分階段燃燒循環中，推進劑流過兩個燃燒室，一個預燃室和一個主燃燒室。通過點燃預燃室中的少量推進劑產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。增加預燃器可以提高燃油效率，但卻需要更高的工程復雜性。

3D打印銅合金燃燒室© Launcher

2015年，美國航天局NASA 在銅質發動機燃燒室的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外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰。

NASA于2020年12月9日發布官方聲明，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作為具有更高導電性的高強度合金而得到了應用，銅合金由于其高導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域中。根據3D科學谷的了解，NASA開發了生產封閉壁銅合金襯里的能力，使復合材料成為腔室護套作為可行且理想的選擇。

據了解，NASA的銅3D打印工藝是通過與合作伙伴的合作開發的。Sintavia為NASA的GRCop-42 銅合金開發了專有打印技術，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。這項新技術結合了專有參數集和熱處理后處理，是在 EOS的M400-4 打印機上開發的，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，該技術避免了在后處理步驟中使用熱等靜壓機，從而減少了生產時間、復雜性并降低了成本。

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業企業的熱情，包括Launcher等創業型企業在積極布局3D打印銅合金燃燒室的技術。

3D打印火箭推力室噴管

據了解，DED定向能量沉積增材制造工藝應用在火箭推力室噴管的技術邏輯是：可以形成內部冷卻通道、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，構建內部冷卻通道，并實現連續冷卻，從而解決了一些設計挑戰和螺栓連接設計的接口問題。

DED定向能量沉積增材制造技術，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對推力室總成（TCA）中的所有結構和動態載荷的復雜挑戰和要求。

歐洲方面，據觀察，2017年，GKN航空航天公司宣布已經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，噴管采用創新技術制造而成，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鍵結構零部件進行加工，使得噴管的零部件數量減少了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”（RAMPT）項目的三個主要目標是：1）推進定向能量沉積（DED）技術以制造帶整體復雜內流道的大型燃燒室和噴嘴；2）開發復合外包裝技術以減輕重量并為推力室組件提供結構能力；3）開發雙金屬和多金屬增材制造的徑向和軸向接頭，以優化材料性能。除了這些主要的制造開發之外，（RAMPT）項目中的分析建模工作還補充了過程開發和模擬AM增材制造過程，以減少構建失敗和變形的發生。

2021年NASA還通過跟DM3D和奧本大學的合作，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——與傳統的制造技術相比，加工時間減少了 50% 以上。

3D打印火箭噴管© NASA

快速發展的國內商業火箭

根據德國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號是可重復使用的24米長的兩級火箭。2016年，Link Space在一枚可重復使用的火箭（設計用于發射，然后返回地球）原型上進行了”懸停”測試。

2019年RLV-T5第三次飛行試驗任務© 翎客航天

翎客航天在火箭回收過程中使用的是獨立研發的一種基于神經網絡的制導控制技術。該技術中的核心算法相比凸優化方法具有結構簡單、計算速度快、無求解器依賴等優點。

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“風暴-1”型泵壓式發動機全系統試車。 該型液體火箭發動機于2021年4月正式立項，是翎客航天自主研制的首款泵壓式發動機。該型發動機的階段性成功，預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，中國航空航天業實現了又一個里程碑，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”）在中國酒泉衛星發射中心成功發射，按飛行時序將多顆衛星及有效載荷精確送入預定300公里圓軌道，發射任務取得圓滿成功，實現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打印姿控動力系統產品飛行。

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次發射。自從中國于2014年開始允許私營公司參與以來，其國內太空部門一直在蓬勃發展。涉及的公司數量已從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。在戰略規劃上，東方空間希望花7年時間成為國際一流的商業航天企業。

《3D打印與工業制造》：3D打印技術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。

深藍航天

國內商業航天的發展需要更多的力量并肩齊驅，江蘇深藍航天有限公司（深藍航天）成立于2017年，聚焦在液體回收復用運載火箭方向，是并提供商業發射服務的商業航天高新企業。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有火箭總體、液體發動機研發中心；在陜西銅川建有火箭動力系統測試基地。

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/煤油發動機“雷霆-20” 的整機試車。

深藍航天LT-5發動機大量選用3D打印技術，利用先進的打印設備最大限度發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質特性，成功突破傳統火箭發動機制造模式的低生產效率、復雜工藝路線、周期長的瓶頸。

深藍航天目前正在研制中的新型發動機同樣選擇了經過驗證的3D打印技術和后處理工藝，新交付的發動機結構部件最大尺寸達到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、增材流道結構表面高質量磨料流光整等多項關鍵技術，具備了產品多行面、多腔道、再生冷卻通道等復雜精密構件的增材制造研制能力。

根據經緯創投，2020年的一個顯著變化是，大量的太空任務是由經濟和國家安全驅動，而不僅僅是實驗室科研。隨著美國已經形成NASA負責深空探索，民營的SpaceX等公司負責降成本、商業化的航空航天新格局，民營公司正扮演越來越重要角色。經緯創投亦在此領域積極布局，投資了星際榮耀、藍箭航天、銀河航天、長光衛星、天儀研究院、遨天科技等企業。

商業航天市場參與主體

商業航天增材制造方面，最終的贏家不僅要有核心的設計實力，還需要多點建立競爭壁壘，譬如在設備端從設備開發商和材料開發商借力，通過開發特殊的3D打印設備及特殊的材料進一步拉高技術與制造壁壘，同時還需要搭建軟件實力，將數據流中的價值提取出來，將數據轉化為企業前進的動力“燃料”。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/41551.html