洞悉3D打印火箭发动机推力室的技术逻辑与商业进展
时间:2021-12-13 09:40 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
从2015年开始，中国诞生了以星际荣耀、蓝箭航天、星河动力、科工火箭等为代表的商业火箭企业，双曲线、快舟、捷龙系列商业火箭已实现成功入轨发射。根据航空制造网，中国在火箭燃料方面，正在由煤油向液氢转换。那么在火箭的设计及燃料处于升级换代的节点上，3D打印在火箭发动机的关键部件：推力室方面的技术应用逻辑与商业进展是什么样的呢？本期，将与谷友一起，深度了解火箭推力室背后的3D打印。
火箭推力室背后的3D打印技术 3D打印在动力装备的技术发展逻辑概括为两点：爆发力强、安全性高。提升爆发力方面，3D打印释放了设计与制造的自由度，例如通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；提升安全性方面，例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。
液体火箭发动机主要由推力室、涡轮泵、燃气发生器、火药启动器和各种阀门、调节器、管路等组成。涡轮泵是由气体涡轮、燃料泵和氧化齐泵等组成，其功用是由涡轮带动泵，将来自贮箱的推进剂的压力由几百千帕提高到几万千帕。然后再送入发动机推力室。涡轮泵结构复杂、工作条件苛刻、压头高，因此，设计效率高的涡轮泵也是发动机研制中的关键。 火箭推力室是火箭发动机重要的组成部分，火箭推力室主要有喷射器、燃烧室、喷管这三种最为主要的部件组成。 3D打印正在以其独特的优势提升火箭推力室的喷射器、燃烧室、喷管这三个关键组件的制造水平与产品性能。这其中的3D打印制造技术包括PBF基于粉末床的金属熔化3D打印技术、DED(送粉、送丝）定向能量沉积3D打印技术。
根据3D科学谷，3D打印火箭注射器的技术逻辑是以更低的成本快速制造出复杂的注射器零件，不仅降低了成本，减少了制造周期，更复杂的注射器设计提升了注射燃料的性能表现。 国际上已经大量的应用3D打印制造火箭推力室注射器。其中，Aerojet Rocketdyne的AR1火箭发动机的单冲量（single-element）主喷油嘴是完全使用3D打印机制造的。AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，美国希望用它来替代俄罗斯的RD-180发动机。喷射器是用选择性激光熔化（SLM）技术制造的，3D打印被证明能够以与传统制造技术相比很低的成本快速制造出复杂的发动机零部件。仅在主喷射器一项，3D打印就把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。
根据3D科学谷，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却效果，以带来更加安全的火箭运行水平。3D打印在铜合金燃烧室的应用技术逻辑包括一次性整体成型带冷却通道的腔壁，铜合金的加工能力这两方面的优势结合。 分阶段燃烧循环中，推进剂流过两个燃烧室，一个预燃室和一个主燃烧室。通过点燃预燃室中的少量推进剂产生的压力可用于为涡轮泵提供动力，涡轮泵迫使剩余的推进剂进入主燃烧室。增加预燃器可以提高燃油效率，但却需要更高的工程复杂性。
2015年，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室的3D打印方面取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。 NASA于2020年12月9日发布官方声明，其3D打印铜合金燃烧室和高强度耐氢合金火箭发动机零件通过了23次热火测试。NASA制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42作为具有更高导电性的高强度合金而得到了应用，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却以将腔室热壁保持在高强度温度区域中。根据3D科学谷的了解，NASA开发了生产封闭壁铜合金衬里的能力，使复合材料成为腔室护套作为可行且理想的选择。 根据3D科学谷的了解，NASA的铜3D打印工艺是通过与合作伙伴的合作开发的。Sintavia为NASA的GRCop-42 铜合金开发了专有打印技术，GRCop-42 是NASA 和私人太空飞行公司用于火箭推力室组件的首选铜合金。这项新技术结合了专有参数集和热处理后处理，是在 EOS的M400-4 打印机上开发的，可制造最小密度为 99.94%、最小拉伸强度为 28.3 的 GRCop-42 铜组件ksi，最小极限屈服强度为 52.7 ksi，最小伸长率为 32.4%。重要的是，该技术避免了在后处理步骤中使用热等静压机，从而减少了生产时间、复杂性并降低了成本。 而NASA在3D打印铜合金燃烧室方面取得的进展也催生了国际上火箭制造创业企业的热情，包括Launcher等创业型企业在积极布局3D打印铜合金燃烧室的技术。
根据3D科学谷，DED定向能量沉积增材制造工艺应用在火箭推力室喷管的技术逻辑是：可以形成内部冷却通道、可以沉积双金属材料、免除焊接。DED定向能量沉积增材制造工艺可以直接在铜腔室的后端沉积双金属材料，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，构建内部冷却通道，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题。 DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。 DED定向能量沉积增材制造技术可以加工双金属材料，双金属材料则使得火箭推力室的喷管具有优化材料的选择，理想情况下火箭推力室的喷管由非铜合金制成，例如高温合金或不锈钢材料。双金属增材制造材料可以帮助应对推力室总成（TCA）中的所有结构和动态载荷的复杂挑战和要求。 欧洲方面，根据3D科学谷的市场观察，2017年，GKN航空航天公司宣布已经向法国的空中客车和赛峰集团提供了先进的Ariane 6号火箭喷管（SWAN）。 直径为2.5米，喷管采用创新技术制造而成，性能更高，交货时间更短，成本更低。通过激光焊接和激光能量沉积工艺对关键结构零部件进行加工，使得喷管的零部件数量减少了90％，从约1000个零部件减少到约100个零部件。并且降低了40%的成本，减少了30%的交货时间。
美国方面，NASA在3D打印火箭喷管方面的历史由来已久。其中NASA的“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）项目的三个主要目标是：1）推进定向能量沉积（DED）技术以制造带整体复杂内流道的大型燃烧室和喷嘴；2）开发复合外包装技术以减轻重量并为推力室组件提供结构能力；3）开发双金属和多金属增材制造的径向和轴向接头，以优化材料性能。除了这些主要的制造开发之外，（RAMPT）项目中的分析建模工作还补充了过程开发和模拟AM增材制造过程，以减少构建失败和变形的发生。 2021年NASA还通过跟DM3D和奥本大学的合作，3D打印了大约2吨重的火箭喷管。大约 2 吨的增材制造全尺寸 RS25 喷管衬里的确切尺寸为 111 英寸高（281厘米高）和 96 英寸直径（243厘米直径）。庞大的零件是在几个月的时间里制造出来的——与传统的制造技术相比，加工时间减少了 50% 以上。
快速发展的国内商业火箭 根据德国Fon杂志，在中国，由21岁的胡振宇于2014年在北京成立的Link Space（翎客航天）一直吸引着人们的注意，它的新线1号是可重复使用的24米长的两级火箭。2016年，Link Space在一枚可重复使用的火箭（设计用于发射，然后返回地球）原型上进行了”悬停”测试。
翎客航天在火箭回收过程中使用的是独立研发的一种基于神经网络的制导控制技术。该技术中的核心算法相比凸优化方法具有结构简单、计算速度快、无求解器依赖等优点。 在刚刚过去的2021年11月2日，翎客航天在江苏某地圆满完成“风暴-1”型泵压式发动机全系统试车。 该型液体火箭发动机于2021年4月正式立项，是翎客航天自主研制的首款泵压式发动机。该型发动机的阶段性成功，预示着翎客航天有望在未来的亚轨道可回收火箭型号中，采用自主研制的液体动力。 2020年7月，中国航空航天业实现了又一个里程碑，北京星际荣耀空间科技有限公司的双曲线一号遥一长安欧尚号运载火箭（简称“SQX-1 Y1”）在中国酒泉卫星发射中心成功发射，按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道，发射任务取得圆满成功，实现了中国民营运载火箭零的突破。 2021年2月，重庆壹零空间在西北成功发射OS-X6B新型智能亚轨道火箭暨“重庆两江之星“，首次采用3D打印姿控动力系统产品飞行。 2021年7月，深蓝航天完成了首次垂直起飞和垂直降落（VTVL）自由飞行，即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验。 总体而言，中国已加入成熟的航天国家行列：在2020年，中国超过俄罗斯，几乎与美国持平，完成了39次发射。自从中国于2014年开始允许私营公司参与以来，其国内太空部门一直在蓬勃发展。涉及的公司数量已从2018年的30家增加到一百多家，而且还在不断增加中。 就在2021年4月，东方空间天使轮融资4亿元，投资方除了红杉中国、经纬中国，还有源于清华的基金SEE FUND以及三一集团、闻泰科技等。在战略规划上，东方空间希望花7年时间成为国际一流的商业航天企业。 《3D打印与工业制造》：3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术。 l Highlight 深蓝航天 国内商业航天的发展需要更多的力量并肩齐驱，江苏深蓝航天有限公司（深蓝航天）成立于2017年，聚焦在液体回收复用运载火箭方向，是并提供商业发射服务的商业航天高新企业。深蓝航天总部位于江苏省南通市，在北京亦庄和陕西西安分别设有火箭总体、液体发动机研发中心；在陕西铜川建有火箭动力系统测试基地。 2021年7月，深蓝航天完成了首次垂直起飞和垂直降落（VTVL）自由飞行，即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验。2021年10月13日，深蓝航天再次成功完成百米级VTVL垂直回收试验；并将按计划执行“星云-M”试验箭的公里级高空垂直起降回收飞行试验，以及20吨级液氧/煤油发动机“雷霆-20” 的整机试车。 深蓝航天LT-5发动机大量选用3D打印技术，利用先进的打印设备最大限度发挥镍基高温合金粉末材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等优质特性，成功突破传统火箭发动机制造模式的低生产效率、复杂工艺路线、周期长的瓶颈。 深蓝航天目前正在研制中的新型发动机同样选择了经过验证的3D打印技术和后处理工艺，新交付的发动机结构部件最大尺寸达到600mm×600mm×600mm。 通过一系列的研制测试，自主掌握了3D打印粉末选型、增材制造形性控制、增材流道结构表面高质量磨料流光整等多项关键技术，具备了产品多行面、多腔道、再生冷却通道等复杂精密构件的增材制造研制能力。
根据经纬创投，2020年的一个显著变化是，大量的太空任务是由经济和国家安全驱动，而不仅仅是实验室科研。随着美国已经形成NASA负责深空探索，民营的SpaceX等公司负责降成本、商业化的航空航天新格局，民营公司正扮演越来越重要角色。经纬创投亦在此领域积极布局，投资了星际荣耀、蓝箭航天、银河航天、长光卫星、天仪研究院、遨天科技等企业。
商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。
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