洞悉3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的技術(shù)邏輯與商業(yè)進(jìn)展

魔猴君  行業(yè)資訊   1074天前

從2015年開(kāi)始，中國(guó)誕生了以星際榮耀、藍(lán)箭航天、星河動(dòng)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(shí)現(xiàn)成功入軌發(fā)射。根據(jù)航空制造網(wǎng)，中國(guó)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(jì)及燃料處于升級(jí)換代的節(jié)點(diǎn)上，3D打印在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)力裝備的技術(shù)發(fā)展邏輯概括為兩點(diǎn)：爆發(fā)力強(qiáng)、安全性高。提升爆發(fā)力方面，3D打印釋放了設(shè)計(jì)與制造的自由度，例如通過(guò)優(yōu)化燃料與空氣的混合比，提升動(dòng)力裝備的動(dòng)能；提升安全性方面，例如通過(guò)3D打印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動(dòng)力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。

走進(jìn)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(shū)》

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由推力室、渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器、火藥啟動(dòng)器和各種閥門(mén)、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(dòng)泵，將來(lái)自貯箱的推進(jìn)劑的壓力由幾百千帕提高到幾萬(wàn)千帕。然后再送入發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)效率高的渦輪泵也是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵。

火箭推力室是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)提升火箭推力室的噴射器、燃燒室、噴管這三個(gè)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)。

© 《3D科學(xué)谷航天白皮書(shū)》

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(jì)提升了注射燃料的性能表現(xiàn)。

國(guó)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(dòng)機(jī)的單沖量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D打印機(jī)制造的。AR1是一款正在開(kāi)發(fā)中的50萬(wàn)磅推力級(jí)的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)希望用它來(lái)替代俄羅斯的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)零部件。僅在主噴射器一項(xiàng)，3D打印就把零部件的交貨時(shí)間減少了9個(gè)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(lái)高效的壁冷卻效果，以帶來(lái)更加安全的火箭運(yùn)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(shì)結(jié)合。

分階段燃燒循環(huán)中，推進(jìn)劑流過(guò)兩個(gè)燃燒室，一個(gè)預(yù)燃室和一個(gè)主燃燒室。通過(guò)點(diǎn)燃預(yù)燃室中的少量推進(jìn)劑產(chǎn)生的壓力可用于為渦輪泵提供動(dòng)力，渦輪泵迫使剩余的推進(jìn)劑進(jìn)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(guó)航天局NASA 在銅質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(gè)部件打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。這個(gè)銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個(gè)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(duì)增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)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(qiáng)度耐氫合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件通過(guò)了23次熱火測(cè)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(qiáng)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(lái)高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強(qiáng)度溫度區(qū)域中。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，NASA開(kāi)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(hù)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(guò)與合作伙伴的合作開(kāi)發(fā)的。Sintavia為NASA的GRCop-42 銅合金開(kāi)發(fā)了專(zhuān)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(xiàng)新技術(shù)結(jié)合了專(zhuān)有參數(shù)集和熱處理后處理，是在 EOS的M400-4 打印機(jī)上開(kāi)發(fā)的，可制造最小密度為 99.94%、最小拉伸強(qiáng)度為 28.3 的 GRCop-42 銅組件ksi，最小極限屈服強(qiáng)度為 52.7 ksi，最小伸長(zhǎng)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(jī)，從而減少了生產(chǎn)時(shí)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(jìn)展也催生了國(guó)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(shí)現(xiàn)連續(xù)冷卻，從而解決了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和螺栓連接設(shè)計(jì)的接口問(wèn)題。

DED定向能量沉積增材制造技術(shù)，允許整個(gè)推力室總成（TCA）在火箭推力室噴管的制造過(guò)程中一次性形成所有的內(nèi)部冷卻通道，從而無(wú)需進(jìn)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(gè)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(duì)推力室總成（TCA）中的所有結(jié)構(gòu)和動(dòng)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(guó)的空中客車(chē)和賽峰集團(tuán)提供了先進(jìn)的Ariane 6號(hào)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(shí)間更短，成本更低。通過(guò)激光焊接和激光能量沉積工藝對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行加工，使得噴管的零部件數(shù)量減少了90％，從約1000個(gè)零部件減少到約100個(gè)零部件。并且降低了40%的成本，減少了30%的交貨時(shí)間。

3D打印的火箭噴管© GKN

美國(guó)方面，NASA在3D打印火箭噴管方面的歷史由來(lái)已久。其中NASA的“快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)”（RAMPT）項(xiàng)目的三個(gè)主要目標(biāo)是：1）推進(jìn)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(kāi)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(kāi)發(fā)雙金屬和多金屬增材制造的徑向和軸向接頭，以?xún)?yōu)化材料性能。除了這些主要的制造開(kāi)發(fā)之外，（RAMPT）項(xiàng)目中的分析建模工作還補(bǔ)充了過(guò)程開(kāi)發(fā)和模擬AM增材制造過(guò)程，以減少構(gòu)建失敗和變形的發(fā)生。

2021年NASA還通過(guò)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(gè)月的時(shí)間里制造出來(lái)的——與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，加工時(shí)間減少了 50% 以上。

3D打印火箭噴管© NASA

快速發(fā)展的國(guó)內(nèi)商業(yè)火箭

根據(jù)德國(guó)Fon雜志，在中國(guó)，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(hào)是可重復(fù)使用的24米長(zhǎng)的兩級(jí)火箭。2016年，Link Space在一枚可重復(fù)使用的火箭（設(shè)計(jì)用于發(fā)射，然后返回地球）原型上進(jìn)行了”懸停”測(cè)試。

2019年RLV-T5第三次飛行試驗(yàn)任務(wù)© 翎客航天

翎客航天在火箭回收過(guò)程中使用的是獨(dú)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(jiǎn)單、計(jì)算速度快、無(wú)求解器依賴(lài)等優(yōu)點(diǎn)。

在剛剛過(guò)去的2021年11月2日，翎客航天在江蘇某地圓滿(mǎn)完成“風(fēng)暴-1”型泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試車(chē)。 該型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)于2021年4月正式立項(xiàng)，是翎客航天自主研制的首款泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)的階段性成功，預(yù)示著翎客航天有望在未來(lái)的亞軌道可回收火箭型號(hào)中，采用自主研制的液體動(dòng)力。

2020年7月，中國(guó)航空航天業(yè)實(shí)現(xiàn)了又一個(gè)里程碑，北京星際榮耀空間科技有限公司的雙曲線一號(hào)遙一長(zhǎng)安歐尚號(hào)運(yùn)載火箭（簡(jiǎn)稱(chēng)“SQX-1 Y1”）在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，按飛行時(shí)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(mǎn)成功，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)民營(yíng)運(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品飛行。

2021年7月，深藍(lán)航天完成了首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）自由飛行，即被稱(chēng)之為“蚱蜢跳”的運(yùn)載火箭垂直回收飛行試驗(yàn)。

總體而言，中國(guó)已加入成熟的航天國(guó)家行列：在2020年，中國(guó)超過(guò)俄羅斯，幾乎與美國(guó)持平，完成了39次發(fā)射。自從中國(guó)于2014年開(kāi)始允許私營(yíng)公司參與以來(lái)，其國(guó)內(nèi)太空部門(mén)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(guó)、經(jīng)緯中國(guó)，還有源于清華的基金SEE FUND以及三一集團(tuán)、聞泰科技等。在戰(zhàn)略規(guī)劃上，東方空間希望花7年時(shí)間成為國(guó)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(guò)程中的中流砥柱技術(shù)。

深藍(lán)航天

國(guó)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(lán)航天有限公司（深藍(lán)航天）成立于2017年，聚焦在液體回收復(fù)用運(yùn)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(lán)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(dòng)機(jī)研發(fā)中心；在陜西銅川建有火箭動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試基地。

2021年7月，深藍(lán)航天完成了首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）自由飛行，即被稱(chēng)之為“蚱蜢跳”的運(yùn)載火箭垂直回收飛行試驗(yàn)。2021年10月13日，深藍(lán)航天再次成功完成百米級(jí)VTVL垂直回收試驗(yàn)；并將按計(jì)劃執(zhí)行“星云-M”試驗(yàn)箭的公里級(jí)高空垂直起降回收飛行試驗(yàn)，以及20噸級(jí)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)“雷霆-20” 的整機(jī)試車(chē)。

深藍(lán)航天LT-5發(fā)動(dòng)機(jī)大量選用3D打印技術(shù)，利用先進(jìn)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(qiáng)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(dòng)機(jī)制造模式的低生產(chǎn)效率、復(fù)雜工藝路線、周期長(zhǎng)的瓶頸。

深藍(lán)航天目前正在研制中的新型發(fā)動(dòng)機(jī)同樣選擇了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的3D打印技術(shù)和后處理工藝，新交付的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件最大尺寸達(dá)到600mm×600mm×600mm。

通過(guò)一系列的研制測(cè)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(xiàng)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(gè)顯著變化是，大量的太空任務(wù)是由經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全驅(qū)動(dòng)，而不僅僅是實(shí)驗(yàn)室科研。隨著美國(guó)已經(jīng)形成NASA負(fù)責(zé)深空探索，民營(yíng)的SpaceX等公司負(fù)責(zé)降成本、商業(yè)化的航空航天新格局，民營(yíng)公司正扮演越來(lái)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(lán)箭航天、銀河航天、長(zhǎng)光衛(wèi)星、天儀研究院、遨天科技等企業(yè)。

商業(yè)航天市場(chǎng)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(jì)實(shí)力，還需要多點(diǎn)建立競(jìng)爭(zhēng)壁壘，譬如在設(shè)備端從設(shè)備開(kāi)發(fā)商和材料開(kāi)發(fā)商借力，通過(guò)開(kāi)發(fā)特殊的3D打印設(shè)備及特殊的材料進(jìn)一步拉高技術(shù)與制造壁壘，同時(shí)還需要搭建軟件實(shí)力，將數(shù)據(jù)流中的價(jià)值提取出來(lái)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為企業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力“燃料”。

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