全球3D打印火箭发动机汇总

3D打印资讯
2021
08/31
21:56
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本帖最后由 warrior熊 于 2021-9-2 20:53 编辑

南极熊导读:众所周知,3D打印技术在航空航天领域的应用已然司空见惯,这其中就包括诸如火箭等大型设备的开发与制造。那你知道全球有多少家火箭制造商采用了3D打印技术吗?他们的制造水平又到了何种程度?要知道,大多数航空航天相关企业已开始进行相关研究,以实现全3D打印的火箭。南极熊在这里就为大家汇总了国内外3D打印火箭发动机的案例,以供参考。

1、中国深蓝航天

2021年7月,深蓝航天“星云-M”1号试验火箭在陕西铜川深蓝航天试验基地完成了“星云-M”1号试验火箭首次垂直起飞和垂直降落(VTVL)的自由飞行试验(又称“蚱蜢跳”),首飞试验任务圆满成功。

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执行本次飞行的“星云-M”1号试验箭配套了由深蓝航天自主研制的“雷霆-5”型液体火箭发动机(简称:LT-5),是国内首型使用3D打印技术制造的针栓式电动泵液氧煤油发动机。“雷霆-5”型液体火箭发动机真空推力最大为50kN,发动机能够实现50%-110%推力区间调节;同时,LT-5采用了电动泵调节推进剂流量,针栓式喷注器可自动维持不同工况下的稳定燃烧。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。

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2、马斯克的SpaceX

2017年1月14日当地时间,SpaceX在加州范登堡空军基地成功发射了一枚猎鹰9号火箭,其中采用了大量的3D打印零件,包括关键的氧化剂阀体,3D打印的阀体成功操作了高压液态氧在高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比,3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比,3D打印阀体在两天内就完成了。设计是个快速迭代的过程,这为SpaceX抢占时间和快速优化设计提供了极佳的便利条件。

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除了猎鹰9号火箭,SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室,使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比,使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本,而相比传统制造发动机的成本,而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机,其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。

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3、中国航天六院增材制造火箭发动机推力室隔板加强肋

2021年6月17日,长征二号F遥十二运载火箭托举着载有三名航天员的神舟十二号载人飞船冲向太空。作为我国唯一的大型液体火箭发动机研制生产厂,7103厂生产制造了该火箭所用芯一级发动机、二级发动机、助推器发动机,并采用3D打印技术制造相关零件,实现了发动机更可靠,效率速度双提升。

7103厂增材制造创新中心主任杨欢庆介绍,发动机推力室隔板加强肋是其中之一。加强肋是发动机隔板夹层内流通道的关键构件,主要用于保证发动机的燃烧稳定性。该产品之前采用熔模精密铸造工艺生产,有29个工艺流程,配套设备多且依赖性强,合格率不足20%。通过3D打印技术替代熔模精密铸造工艺,加强肋的制造周期缩短了75%,合格率提升至98%,成本降低30%,且产品多项性能指标接近甚至超过传统铸件历史最高值。

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4、NASA 3D打印铜合金燃烧室高强耐氢合金喷管

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次点火测试。经过2020年11月的一系列点火试验,NASA证实了两个增材制造的发动机部件——铜合金燃烧室和由高强度耐氢合金制成的喷管,可以承受在飞行中传统制造的金属结构所经历的相同极端燃烧环境。

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NASA通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料,形成高强度铁镍超合金轴向接头的火箭推力室喷管,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,随后通过碳纤维聚合物基复合材料(PMC)外包装将整个推力室总成(TCA)进行外包装。

NASA制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42是一种高导电性、高导热性、高强度的合金,有望用于腔室衬里,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。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。

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5、印度SkyrootAerospace公司全3D打印低温火箭发动机

2020年9月28日,在印度著名火箭科学家Satish Dhawan博士诞辰100周年之际,Skyroot Aerospace公司推出了第一台带100%3D打印喷油器的火箭发动机——Dhawan-1,并配置在其Vikram I运载火箭上进行了成功测试。

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据悉,Skyroot成立于2018年,其团队由之前曾在印度空间研究组织(ISRO)工作过的火箭工程师组成。Skyroot目前专注于开发其首款Vikram I运载火箭,3D打印也是整体火箭制造技术的关键部分,该公司称通过3D打印技术可将发动机质量降低50%,并减少其构造所需的零部件,且将其生产的交货时间缩短了80%。

Skyroot下一步将对正在研发的火箭的两个完整阶段进行试射,该公司还同时在开发下一代运载火箭Vikram-2和Vikram-3,这些运载火箭将在2022年至2023年之间的某个时间点问世,并与现有的更大的拼车式火箭具有成本竞争力。

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△Skyroot全系列发动机

与传统制造相比,该引擎能够多次重启,使他们能够在一次任务中将各种卫星插入多个轨道。关于通过3D打印技术制造3D打印注射器,除金属外,Skyroot还在3D打印过程中使用特殊材料,Skyroot期待将3D打印应用到Vikram-2火箭中。

6、德国航天中心3D打印火箭喷油器

在液氧/煤油发动机喷油器部件方面,早在2018年,德国航天中心DLR与3D Systems客户创新中心CIC合作,设计了一个3D打印喷射器,以此来实现新性能。
火箭发动机的喷射器是燃料和氧化剂进入燃烧室的部分。成功的液体火箭燃料喷射器以特定方式推动部件,确保其雾化和适当混合,产生移动火箭所需的燃烧。
通过使用金属3D打印,DLR能够彻底改变同轴喷射器的设计方法,无需多个组件,显著降低生产时间和成本。零件数量从30减少到1有助于最终减重10%,并消除了紧固处已知的故障点,有利于减少相关的质量管控措施,提升了系统性能。

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DLR火箭喷油器的最终部件通过3DSystems的金属打印机ProX DMP 320进行打印,使用的材料是LaserForm® Ni718 (A),一种抗氧化和耐腐蚀的铬镍铁合金。这种材料具有良好的抗拉强度、耐疲劳性、抗蠕变性和持久强度,即使温度达到700,是高温应用的理想选择。

金属3D打印帮助航空航天中心采用同轴喷射技术和双旋流喷射器元件,优化喷射头的氧化剂和燃料混合。采用了两种不同的冷却方案,每一种都采用最小特征尺寸为0.2毫米、最大长度/直径比为45的细通道。该设计还集成了喷射头的铺膜特性,使工程师能够直接调整喷油器处的膜质量流量。

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7、贝索斯蓝色起源BE-4火箭发动机

Blue Origin公司是由亚马逊CEO杰夫-贝索斯(Jeff Bezos)一手创办的,与高调的SpaceX不同的是,该公司一直在秘密地开发其BE-4火箭发动机。2016年初,Blue Origin成为首枚连续两次成功发射和着陆的垂直起降的商用火箭,从而在回收利用火箭方面再次胜出SpaceX公司。

具体来说,Blue Origin采用3D打印技术来打印BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子。BE-4是以液化天然气为燃料的新一代火箭发动机。

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杰夫·贝索斯表示,BE-4除了主泵提供的推力,还通过几个“升压”涡轮泵,混合液态氧和天然气从而提供500000磅的推力,3D打印在发动机的生产中发挥了关键作用。此外,Blue Origin新一代火箭发动机BE-4核心零部件OBP增压泵的第二次迭代正在进行测试,并且以及完成单元组件,将进行 BE-4发动机试验安装。BE-4继续亚轨道飞行试验计划,BE-4有望结束美国对俄制RD-180发动机的依赖。

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8、欧洲航天局3D打印火箭发动机燃烧室

2019年2月18日,欧洲航天局(ESA)测试了带3D打印燃烧室的BERTA火箭发动机,其参考升力为2.45 kN(550.78 lbf)。BERTA被视为3D打印用于更大的发动机的ETID(Expander-cycle Technology IntegratedDemonstrator-ETID为扩展循环技术集成演示器)。

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△BERTA燃烧室演示器点火测试 来源:ESA

ETID是下一代10吨火箭发动机的先驱技术载体,其中一些技术也可用于升级现有的Vinci发动机,Vinci发动机为阿丽亚娜6提供动力。通过首次测试被ESA视为增材制造火箭发动机零件的重要一步。用于下一代运载火箭的100吨级火箭发动机Prometheus(普罗米修斯)也将受益于BERTA的测试过程中,并获得技术传承,例如增材制造复杂零件以及实现低成本燃烧室的制造技术。

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该燃烧室由Ariane集团开发,作为ESA未来发射器预备计划(FLPP)项目的一部分,由Ariane集团开发的BERTA发动机设计用于“可储存的推进剂”,这意味着燃料可以在室温下储存。这种类型的发动机可以点燃几次并且非常可靠。它们可用于地球轨道以外的任务,并持续数月。增材制造发挥的作用是制造复杂设计的冷却通道。传统的制造方法无法一体化的制造如此复杂的通道,通过3D打印冷却腔室带有复杂冷却通道的壁。使得发动机的性能获得提升。BERTA发动机采用的是选择性激光熔化(SLM)金属3D打印技术,镍基合金材料用于制造注射头部分,不锈钢材料用于制造燃烧室部分。

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9、英国航空航天公司3D打印机快速成型火箭发动机

2021年3月,英国航空航天公司Orbex与AMCM合作,宣称要建立欧洲最大的工业3D打印机,以实现快速打印火箭发动机。

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△Orbex生产的Stage 2 Prime火箭

Orbex计划在其位于苏格兰高地Sutherland的A'Mhoine半岛的太空港发射Prime运载火箭,该运载火箭已于2020年8月获得计划许可。A'Mhoine基地将于今年开始动工,目前是英国唯一获得规划许可的太空港,并将于2022年开始首次轨道发射。

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工程原型中的3D打印火箭发动机

几个月来,Orbex与AMCM进行了一系列试验,以打印一系列大型火箭部件,因为它希望扩大其发射的生产能力。AMCM将在Orbex的工厂定制建造并安装两家公司声称是欧洲最大的工业3D打印机,该工厂将扩大1000平方米,以容纳这些机器。数百万英镑的3D打印系统将包括后处理机器和“机器视觉”系统,这些系统将对打印的火箭组件进行基于影像的自动检查。

为了消除将零件连接和焊接在一起可能引起的弱点,Orbex的火箭发动机零件将被单件打印。这些组件将使用包括钛和铝在内的定制金属混合物进行打印,以确保系统轻巧耐用,足以承受航天飞机的极端温度和压力。Orbex估计,新的打印系统每年将提供超过35台火箭发动机和涡轮泵系统,并且作为第一个从新的A'Mhoine太空枢纽发射的系统,它可能会成为第一个成功将商用火箭从英国发射到轨道的系统。

10、澳大利亚SPEE3D低成本金属 3D 打印火箭发动机

2021年7月12日,澳大利亚冷喷涂 3D 打印机制造商SPEE3D宣布计划通过低成本金属 3D 打印火箭发动机“彻底改变”航天领域。SPEE3D 将寻求使用其冷喷涂技术,为澳大利亚新兴的工业航天工业制造高质量、廉价的金属 3D 打印火箭发动机。

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据报道,SPEE3D 获得专利的冷喷涂增材制造技术,能够比传统的金属 3D 打印方法快 100 到1,000 倍的速度打印金属零件。据推测,该技术也是唯一能够以比传统制造更具竞争力的成本按需打印金属零件的工艺之一。冷喷涂不依赖于激光或其他基于热的能源,而是利用动能通过高速压缩气流将金属粉末喷涂到基材上。这为材料提供了足够的能量来变形并粘合到下面的固体部分,形成额外的层。

该公司的 WarpSPEE3D 3D 打印机在短短三个小时内以不到 1,000 美元的成本生产了一个 17.9 公斤的铜火箭喷嘴内衬。现在,在政府对其 SPAC3D 项目的支持下,SPEE3D 将寻求将其技术应用于制造高质量的金属 3D 打印火箭发动机,与传统生产的发动机相比,这些发动机仍然便宜。WarpSPEE3D能够在极端条件下运输和卸载,并且可以在 30 分钟内运行,发现能够以每分钟 100 克的速度打印重量高达 40 公斤的大型金属零件。
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△SPEE3D3D 在短短三个小时内打印出铜制火箭喷嘴内衬

11、Rocket Lab

2015年,总部位于加利福尼亚的航空航天公司Rocket Lab宣布开发出世界上第一枚电池动力火箭,而且发动机几乎完全是3D打印的。这套低成本的发射系统以Electron的形式出现,卢瑟福发动机可以在24小时内3D打印出来。发动机的主要推进阀、喷油器、泵和发动机室都是通过电子束熔化3D打印出来的,发动机本身也是首创,它使用电动马达代替气体,创造出更轻巧、高效的机器。这家初创公司将3D打印用于火箭的主要部件,目前已经发射了第16次任务。此外,Rocket Lab于今年推出了其下一代可重复使用的3D 打印火箭 Neutron。

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12、相对论航太公司Relativity Space

Relativity Space 是一家美国航空航天制造公司,它由 Tim Ellis 和 Jordan Noone 于 2015 年创立,Relativity Space 正在开发用于商业轨道发射服务的制造技术、运载火箭和火箭发动机,设计、开发和制造 3D 打印火箭。

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作为一个垂直整合的技术平台,Relativity 通过融合 3D 打印、人工智能和自主机器人技术,处于向软件定义制造不可避免的转变的最前沿。 它提供了一个从根本上简化的供应链,在不到 60 天的时间内制造出部件减少 100 倍的火箭。

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△Relativity Space使用Stargate 3D打印机来制造火箭。



Relativity Space所推出的产品Aeon 1火箭发动机,可以在海平面产生 15,500 磅力(69,000 N),在真空中产生 25,400 磅力(113,000 N)。 该发动机由液化天然气 (LNG) 和液氧(LOX) 提供动力,并且是由专有的 3D 打印合金制成。它通过选择性激光烧结打印,由少于 100 个部件组装而成。到 2018 年 3 月,Relativity Space 使NASA 斯坦尼斯航天中心的 E-3 测试设施完成了其 Aeon 1 发动机的 300 多次测试点火。除此之外,Relativity Space还有Stargate打印系统、Terran 1及Terran R火箭,均是通过3D打印手段完成制造。

13、Launcher

自2017年成立以来,Launcher不断利用3D打印技术来升级火箭发动机的性能。他们的目标是创造高效、最佳成本的火箭,能够将小型卫星送入太空。

在2019年获得太空部队150万美元的合同后,Launcher开始着手为E-2发动机开发3D打印部件,生产了一个火箭燃烧室,据说是同类产品中最大的部件,高860毫米,具有410毫米出口喷嘴。燃烧室是使用EOS子公司AMCM提供的M 4K 3D打印机一体制造的。

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△发射器的AMCM-3D打印燃烧室,照片来自AMCM


发射器的E-2发动机是用高性能铜合金3D打印的,需要更少的推进剂就能进入轨道,因此允许在每枚火箭上运送更多的卫星,而且拥有比竞争对手更低的价格。
2021年5月,Launcher公司与3D打印机制造商VELO3D仿真软件公司Ansys合作,优化E-2火箭发动机中另一个性能关键部件的设计:一个传统的液氧(LOX)涡轮泵。在美国宇航局斯坦尼斯航天中心进行了发动机测试后,涡轮泵将在发射前被集成到 "轻型发射器 "火箭中。

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14、Aerojet Rocketdyne

2021年5月19日,美国推进系统制造商Aerojet Rocketdyne宣布,其RL10火箭发动机的升级版已成功通过美国国家航空航天局的点火测试程序。

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△一名AerojetRocketdyne公司的工程师正在准备该公司的RL10C-X火箭发动机


在试验期间,该公司的新型RL10C-X上面级发动机采用了增材制造的喷油器和燃烧室,在太空模拟中展示了点火过程和长期耐用性。RL10C-X是与美国联合发射联盟(ULA)共同开发的,是为了推动其下一代Vulcan Centaur运载火箭,作为即将到来的探索性太空任务的一部分。
Aerojet Rocketdyne公司首席执行官Eileen P. Drake说:"成功完成这个测试系列验证了我们将3D打印技术纳入RL10项目的方法,以降低成本,同时保持发动机的无与伦比的性能。RL10在近六十年来一直是该行业的主力军,RL10C-X将有助于确保该发动机保持这一领导地位。"

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△在美国宇航局马歇尔太空飞行中心对Aerojet Rocketdyne公司的3D打印Bantam火箭发动机进行发射测试

15、卢秉恒院士团队3D打印10米级高强铝合金重型运载火箭连接环

国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队利用电弧熔丝增减材一体化制造技术,制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件,在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破。

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10米级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件。该样件重约1t,创新采用多丝协同工艺装备,制造工艺大为简化、成本大幅降低,制造周期缩短至1个月。目前,采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首例。

16、Ariane 集团

前身为航空航天巨头空客与法国制造商赛峰集团合资成立的空中客车赛峰发射器公司Ariane 集团,于2018年1月测试了Vulcan 2.1发动机,这是Ariane 6号运载火箭的第一阶段。

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Vulcan 2.1中的气体发生器采用3D打印技术制造,使得ESA能够在不牺牲性能或效率的情况下降低Ariane 6的成本。

不难看出,全球各地火箭发动机制造商在太空竞赛中面临着激烈的竞争,我国3D打印火箭发动机同样有着出色表现,这也表明3D打印在火箭发动机制造方面有着极大的应用潜力。星辰大海是征途,坎坷艰辛唯不悔,我们也相信中国航天未来可以在火箭发动机制造领域站稳脚跟、发光出彩。


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