歐洲航天局開展全尺寸3D打印銅合金推力室首次熱試

魔猴君  行業(yè)資訊   1598天前

2020年5月26日，歐洲航天局（ESA）在德國(guó)航空中心（DLR）對(duì)一個(gè)完全增材制造的火箭推力室進(jìn)行了熱試車。第一次測(cè)試持續(xù)了30秒，預(yù)計(jì)在本周內(nèi)進(jìn)行其他測(cè)試。ESA將對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析。

測(cè)試中的3D打印推力室。來源：ESA

集成冷卻流道

根據(jù)ESA, 進(jìn)行測(cè)試的3D打印推力室僅有三個(gè)零件，可為未來火箭的上層提供動(dòng)力。增材制造推力室零件數(shù)量由數(shù)百個(gè)減少的三個(gè)，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，降低了成本，顯著提高液體推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲運(yùn)載火箭中的競(jìng)爭(zhēng)力。

進(jìn)行測(cè)試的全尺寸推力室具有3D打印銅合金襯里，該襯里具有集成的冷卻通道，其外層為冷氣噴涂建立的高強(qiáng)度外套。3D打印推力室的歧管和整體式噴油也是增材制造的。這些3D打印零件的生產(chǎn)和測(cè)試工作已在ESA的“未來發(fā)射器”準(zhǔn)備計(jì)劃中進(jìn)行。

ESA 表示，這次測(cè)試的全尺寸3D打印推力室是基于2019年通過ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID為擴(kuò)展循環(huán)技術(shù)集成演示器）熱試車中驗(yàn)證的技術(shù)與方式。ESA 總共測(cè)試過ETID的四種配置，ETID 具有三種新燃燒室?guī)缀涡螤詈驮O(shè)計(jì)。還測(cè)試了兩個(gè)不同的噴油器頭，包括全3D打印的噴頭，以及一個(gè)可再生噴嘴，該噴嘴通過最大程度地吸收熱量來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。燃燒室和噴嘴都利用燃燒熱來預(yù)熱，因此在燃燒之前“膨脹”氫推進(jìn)劑。冷氫的流動(dòng)還具有冷卻硬件的作用，在運(yùn)行期間將溫度保持在合理的范圍內(nèi)。

 ESA 總共對(duì)ETID進(jìn)行了23次測(cè)試，總運(yùn)行時(shí)間為2707s。在測(cè)試期間，達(dá)到了49個(gè)不同的工作點(diǎn)，包括測(cè)試“極端”狀態(tài)下的行為，例如增加系統(tǒng)中冷氫的流量，并因此在運(yùn)行期間對(duì)硬件進(jìn)行“過冷”冷卻。測(cè)試顯示了ETID設(shè)計(jì)的多功能性，并可在較寬的混合比和腔室壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。多個(gè)工作點(diǎn)也將有助于校準(zhǔn)，用于設(shè)計(jì)后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)并預(yù)測(cè)其性能的數(shù)值模型。

Review

今年5月以來，我們接連看到了航天3D打印應(yīng)用所取得的矚目成績(jī)。

5月5日18時(shí)，“胖五”家族新成員長(zhǎng)征五號(hào)B火箭搭載新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙，從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，正式拉開了我國(guó)載人航天工程“第三步”任務(wù)的序幕。新一代載人飛船試驗(yàn)船不僅完成了首次3D打印太空實(shí)驗(yàn)，還搭載了世界首個(gè)基于金屬3D打印技術(shù)的立方星部署器。同期，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司一院211廠研制的全3D打印芯級(jí)捆綁支座順利通過飛行考核驗(yàn)證。

北京時(shí)間 5 月 31 日，SpaceX 最新的載人龍飛船在美國(guó)肯尼迪航天中心 39A 發(fā)射臺(tái)成功發(fā)射。運(yùn)載火箭獵鷹9號(hào)和載人龍飛船以及兩名宇航員頭盔的制造中，3D打印都發(fā)揮了重要作用。

3D打印已成為航天制造領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)，對(duì)此已無需多言。尤其是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域，3D打印已成為航天制造機(jī)構(gòu)搶灘下一代經(jīng)濟(jì)性、可重復(fù)利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要“籌碼”。在ESA 近日試車中涉及到的3D打印推力室，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造的一條關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)賽道。

l “百家爭(zhēng)鳴”之勢(shì)

銅合金推力室部件

Aerojet Rocketdyne 使用粉末床選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)制造的銅合金推力室部件，在2017年通過了美國(guó)Defense Production Act Title III項(xiàng)目管理辦公室進(jìn)行的點(diǎn)火測(cè)試。通過測(cè)試的3D打印銅合金推力室部件是全尺寸的，這款推力室將替代目前的RL10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室部件。3D打印的銅合金推力室部件由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。相比傳統(tǒng)的制造工藝，選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為推力室的設(shè)計(jì)帶來了更高的自由度，使設(shè)計(jì)師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，如集成內(nèi)部冷通道。而增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術(shù)所需要的。

美國(guó)航天局（NASA）在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進(jìn)展，制造技術(shù)也是選區(qū)激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項(xiàng)技術(shù)制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進(jìn)行逐層打印，打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。2019年，NASA 又公布了一種新型銅合金3D打印材料GRCop-42，這是一種高強(qiáng)度，高導(dǎo)電率的銅基合金材料，可用于生產(chǎn)近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內(nèi)襯和燃料噴射器面板。

材料：IN718 鎳鉻合金；設(shè)備：SLM?280。來源：SLM Solutions

CellCore公司與SLM Solutions密切合作，使用鎳基高溫合金與選區(qū)激光熔化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了多功能推力室的一體化成型。在3D打印推力室中，冷卻管道是設(shè)計(jì)中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個(gè)腔體一起成型。一體化的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)合噴射器和推力室，將眾多的單個(gè)部件簡(jiǎn)化為一個(gè)，只有通過激光選區(qū)熔化工藝才能實(shí)現(xiàn)多功能集成的輕量化結(jié)構(gòu)。CellCore公司所開發(fā)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遍布整個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅適用于傳熱，而且提高了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

集成百余條冷卻流道

2019年，中國(guó)的深藍(lán)航天液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)再次進(jìn)行了推力室長(zhǎng)程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍(lán)航天對(duì)主要功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大量采用3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

來源：深藍(lán)航天

鉑力特承擔(dān)了此次試車發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部?jī)蓚€(gè)零件的金屬3D打印工作。發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，使用環(huán)境苛刻，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道，使用傳統(tǒng)工藝銑削、焊接工藝不僅制造周期長(zhǎng)、成本高，零件性能也難以得到保證。

控制內(nèi)部冷卻通道表面粗糙度

年輕的航天企業(yè)Rocket Lab在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室制造領(lǐng)域進(jìn)行了知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在相關(guān)專利中，Rocket Lab強(qiáng)調(diào)了選區(qū)激光熔化技術(shù)控制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑流動(dòng)通道表面粗糙度的獨(dú)特能力：

首先，增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)出小的凸塊特征，脊，突起，凹谷等設(shè)計(jì)，這些特征用于在冷卻劑流動(dòng)通道的特定區(qū)域中提供局部變化。

第二，通過調(diào)整增材制造技術(shù)的加工參數(shù)和粉末可以產(chǎn)生不同的表面粗糙度。例如，選區(qū)激光熔化金屬3D打印加工過程中通常使用的粉末顆粒的平均粒徑通?？梢栽?0μm至110μm之間。

以上幾個(gè)3D打印案例，雖只是航天發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造賽道中的冰山一角，但仍能看到，使用激光選區(qū)熔化技術(shù)進(jìn)行增材制造時(shí)，冷卻通道直接成為了整體設(shè)計(jì)中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個(gè)腔體一起成型，這也是3D打印應(yīng)用到推力室以及其他熱管理領(lǐng)域的魅力。

來源：3D科學(xué)谷