中国商业航天液氧甲烷火箭发动机研制进展（附3D打印典型应用）(2)
时间:2023-04-26 14:42 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
凌云发动机采用柔性喷注单元设计，能够快速更换喷注单元，便于试验和方案迭代，并且广泛采用激光焊接激光焊和电子束焊，通过大量采用3D打印技术，减少了90%的焊缝，还利用仿真手段提升设计可靠性，避免采用昂贵的高温合金材料，节约成本。发动机涡轮泵可采用气瓶起动，泵端温度约-190℃，涡轮端燃气温度约700℃，功率大于1MW，重量小于31kg。发动机采用主、副双路火矩式电点火启动，避免了传统的火药柱启动方式，满足火箭回收时多次启动需求地的同时实现了发动机整机无火工品，也提高了发动机贮存、运输的便捷性。此外，发动机采用泵前摇摆方案，维护采用全氮气，替代传统氦气，降低使用维护成本。 凌云发动机开始开发的时间不得而知，2018年4月24日，九州云箭宣布凌云发动机火炬点火系统已进行了数十次点火试验，7月14日，凌云发动机副系统通过200s长程试车考核，验证了燃气发生器、火炬点火系统和低温阀门的工作可靠性，11月完成推力调节系统的半实物仿真试验，又在12月完成全尺寸推力室短程热试车，验证了推力室的流动传热特性和多工况下的工作可靠性。 2019年1月，凌云发动机涡轮泵完成低温介质考核试验，集齐了凌云发动机所需的全部主要组件齐套，5月完成总装总测，7月完成多次整机20%~30%低推力热试车试验，验证了燃烧装置和涡轮泵的适应性，以及低箱压状态下涡轮泵启动全程汽蚀状态工作的适应性。随后，九州云箭公司可能是意识到租用试车档期不稳定的其他单位试车台无法满足密集的发动机试验需求，九州云箭开始在安徽蚌埠建设自己的试验台，该试验台拥有同规模双工位布局，能够满足密集的试验需求。2019年剩下的时间和2020年全年里，九州云箭主要精力集中在新试验台的建设上，凌云发动机研制暂停，没有报道更多的试验。直到2021年3月和4月，凌云发动机在九州云箭蚌埠的新试车台上开始了密集试验，先后进行了多次起动的40%推力试验和38%~100%大范围连续变推力试验，首次验证了全推力状态的凌云发动机，并大幅提高了试验时长。这是凌云发动机首次完成全状态试验。同年8月，凌云完成11吨推力500s的长程试车，推力调节范围达30%~110%，累计数十次启动，试车时间数千秒，11月，又完成两轮摇摆试车。 2022年，凌云发动机开始开发真空版本，真空版本的凌云发动机是在原发动机基础上提高喷管面积比实现的。到11月，真空版凌云发动机已经完成可靠性热试车考核，实测真空推力12.5吨，比冲341s，三台产品累计完成热试车8000s，其中单台累计热试车时长最高达到5000s，单台最多启动次数30次，产品可靠性得到了充分验证。
龙云发动机的开发与凌云几乎同步进行，该型号于2019年2月立项，在2019年9月的北京国际航展上正式发布。该发动机继承了部分凌云的组件，采用与凌云相同的火炬点火系统，推力调节技术也是通用的。 2019年6月，龙云发动机完成燃气发生器热试车考核。随后与凌云一样在暂停一年多后也开始了密集的试验。它于2021年4月完成了半系统试车考核，5月分别完成整机热试车和三次启动热试车，6月完成50%推力的变推力热试车和长程热试车，进一步验证了发动机可靠性。2022年3月，龙云发动机完成额定工况长程热试车考核，额定推力达到677kN，比冲达到291s，7月完成系列可靠性热试车。 目前看来，九州云箭的双工位试车台中一个工位以凌云发动机可靠性积累和真空版研制为主，另一个则为龙云发动机推力提升及可靠性测试专用工位。两型发动机研制进度正在稳步推进。
北京宇航推进科技有限公司成立于2018年8月，目标是成为全品种商业航天火箭发动机公司，正在开发沧龙一号、沧龙二号、沧龙三号液氧甲烷发动机，其中沧龙一号用于火箭一子级，能够拓展为真空版，沧龙二号用于二子级，沧龙三号用于上面级，三型发动机参数如表 4所示，概念图如图 9所示。 表4 沧龙系列参数
据报道，2019年4月18日，沧龙一号的燃气发生器和火炬式电点火器进行联合点火试车，该次试车为燃气发生器全工况点火，按照预定程序实现了点火起动、稳定工作和关机，各项性能指标满足设计要求，验证了燃气发生器设计方案和火炬式电点火器的工作可靠性。同年11月，进行了气氧甲烷火炬点火系统试验，点火启动次数达33次，验证了点火系统在30%~100%流量范围内的工作可靠性，获得了火炬点火器工作参数和流量调节特性，此外，同一时间该公司还交付了沧龙一号推力室全尺寸样机并完成了推力室点火试验。紧接着，11月底，沧龙二号推力室交付，2020年初，沧龙一号涡轮泵组件交付。
北京翎客航天成立于2014年，是中国注册时间较早的私人航天企业。然而，从公开报道来看，该公司早期内部构架不明确，因此未在火箭发射和发动机开发上倾注足够精力，直到2019年5月，翎客航天管理层调整，更换了CEO，该公司之后才开始认真进行技术开发工作。 转换更换管理层后，翎客航天首先开始了火箭垂直起降技术验证工作，两年后的2021年4月，该公司正式立项风暴-1液体火箭发动机。根据资料，该发动机为电动泵压式发动机，采用液氧甲烷推进剂，海平面推力10kN，可多次启动，拥有30%~100%变推力能力。同年11月，翎客航天在江苏某地搭建了一个简陋简单的试验装置，完成风暴-1的全系统试车，两天内完成3次不同推力工况下点火，验证了电动泵压式发动机系统设计技术、高速高压低温动密封技术、泵压发动机启动及关机时序、新型气液喷注及燃烧稳定性技术等多项关键技术。
2022年1月25日，翎客航天RLV-T6火箭完成全箭冷试。该火箭据称搭载了风暴-1发动机，试验中液氧泵和甲烷泵采用液氮介质，均正常工作。2022年9月28日，翎客航天在位于江阴的动力试验基地02号工位完成风暴-5A液氧甲烷发动机全系统试车，据称发动机工作稳定，达到设计预期，试验圆满成功。
总体来看，中国商业航天公司液氧甲烷发动机研制格局与美国显著不用，呈现“梯队分布”局面：位于第一梯队研制进度靠前的蓝箭航天、九州云箭和星际荣耀三家单位已经进行了比较严肃全面的系列整机试车，其中蓝箭航天的发动机已接近具备与搭载到火箭联试上进行飞行试验，但由于可靠性问题未能完全成功。另两家则已经积累了相当的条件试车时长；第二梯队研制进度靠后的宇航推进和翎客航天目前只完成了部分部件的研制，距离整机试车还有还有一段距离；最后梯队的是其他一些进行液氧甲烷发动机开发的商业航天公司，往往只有网站的宣传页。 文章来源：空天动力瞭望 作者：黄浩然
根据3D科学谷，3D打印在航天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。
正如《3D打印与工业制造》一书中谈到的，3D打印技术已成为航天制造企业抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。全球商业航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。接下来，让我们进一步了解上文中谈到的液氧甲烷火箭发动机制造商，在其研制工作中开展的典型3D打印应用。 l 蓝箭航天-复杂结构一次性成型 2022年10月，蓝箭航天辅助动力系统云鹊（YQ-10）完成首台装配及测试工作，经验收合格交付整机热试车。YQ-10配套于朱雀二号液氧甲烷运载火箭第二批次产品。
YQ-10发动机由蓝箭航天自主研制，主要包括配套的推力室、阀门、贮箱、气瓶、电缆等15种组合件，并自研多款地面保障设备如电性能测试仪、充放气设备等。推力室头部采用3D打印技术方案，隔热框、毛细管以及喷注器等结构一次性成型，参数选取更加灵活，生产流程大幅简化。
更早期的时候，例如，蓝箭航天在2018年8月完成了TQ-12液氧甲烷发动机主阀壳体的制造，该发动机主阀采用增材制造-3D打印技术，新构型技术解决了低温动密封问题，增强了阀门可靠性，同时能够缩短研制周期，有效降低发动机生产成本。 l 星际荣耀-降低成本和加工周期、提高零件性能 2023年3月1日-2日，北京星际荣耀空间科技股份有限公司百吨级液氧甲烷火箭发动机“JD-2”顺利完成两次真实介质下的半系统联合试验。金属增材制造技术全套解决方案提供商铂力特协助研制团队为“JD-2”液体发动机打印了多个管路类和涡轮泵类零件。
航空航天零部件的生产周期长、成本高，制造难度大，而金属3D打印技术在降低成本和加工周期、提高零件性能等方面颇具优势。例如：发动机管路类零件多为异形薄壁结构，成形过程易变形，传统方法生产难度大，周期长。铂力特产品团队根据零件成形难点，开发了定制化的工艺方案。利用激光选区熔化金属3D打印技术一体成形，有效提高了零件的质量精度，同时可以实现零件的快速制造，帮助用户加快技术迭代和方案验证时间，提高了研制效率。 l 九州云箭-提高结构可靠性 2022年，由九州云箭出品的龙云液氧甲烷发动机完成了系列可靠性热试车考核。在该项目中，铂力特为九州云箭打印了旋转机械零部件、燃烧装置零部件以及发动机管路等零部件。
早在2018年12月，九州云箭成功进行了“凌云”10吨变推力液氧甲烷火箭发动机全尺寸推力室短程热试车。参加这次试验的推力室是九州云箭自主研发的可重复使用10吨液氧甲烷发动机的关键组合件之一。九州云箭广泛采用激光焊、电子束焊等自动化焊接工艺，有利于提升焊缝强度和工艺一致性，并通过3D打印、精密数控加工等手段，使整台推力室焊缝数量相较传统方案减少90%，大幅提升了结构可靠性。 l 宇航推进-缩短生产周期、降低产品成本 2019年，北京宇航推进科技有限公司自主研制的沧龙一号液体火箭发动机（CL-1）全尺寸推力室成品完成交付。2020年初，宇航推进自主研制的沧龙一号液体火箭发动机（CL-1）全尺寸涡轮泵零组件交付齐套，进入最后总体装配工序。
在以上推力室和全尺寸涡轮泵零组件的研制中，宇航推进大量采用3D打印、特种成型、特种焊接工艺，大幅缩短生产周期、降低产品成本，为后续批产奠定坚实基础。 l 翎客航天-优化产品性能 2021年11月初，翎客航天自主研制的“风暴-1”型液氧甲烷发动机全系统热试车在江苏某地临时试验场进行，试验取得圆满成功。
这次参与试验的火箭发动机，组件广泛采用3D打印技术，70%以上组件均采用3D打印工艺，优化产品性能，减少工序及零件数，提高生产效率及成品一致性。 (责任编辑：admin) |
