2020年5月26日，歐洲航天局（ESA）在德國航空中心（DLR）對一個完全增材制造的火箭推力室進行了熱試車。第一次測試持續(xù)了30秒，預(yù)計在本周內(nèi)進行其他測試。ESA將對測試數(shù)據(jù)進行收集與分析。

測試中的3D打印推力室。來源：ESA

集成冷卻流道

根據(jù)ESA, 進行測試的3D打印推力室僅有三個零件，可為未來火箭的上層提供動力。增材制造推力室零件數(shù)量由數(shù)百個減少的三個，縮短了生產(chǎn)時間，降低了成本，顯著提高液體推進發(fā)動機在歐洲運載火箭中的競爭力。

進行測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)和測試工作已在ESA的“未來發(fā)射器”準(zhǔn)備計劃中進行。

ESA 表示，這次測試的全尺寸3D打印推力室是基于2019年通過ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID為擴展循環(huán)技術(shù)集成演示器）熱試車中驗證的技術(shù)與方式。ESA 總共測試過ETID的四種配置，ETID 具有三種新燃燒室?guī)缀涡螤詈驮O(shè)計。還測試了兩個不同的噴油器頭，包括全3D打印的噴頭，以及一個可再生噴嘴，該噴嘴通過最大程度地吸收熱量來優(yōu)化發(fā)動機循環(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”氫推進劑。冷氫的流動還具有冷卻硬件的作用，在運行期間將溫度保持在合理的范圍內(nèi)。

 ESA 總共對ETID進行了23次測試，總運行時間為2707s。在測試期間，達到了49個不同的工作點，包括測試“極端”狀態(tài)下的行為，例如增加系統(tǒng)中冷氫的流量，并因此在運行期間對硬件進行“過冷”冷卻。測試顯示了ETID設(shè)計的多功能性，并可在較寬的混合比和腔室壓力范圍內(nèi)運行。多個工作點也將有助于校準(zhǔn)，用于設(shè)計后續(xù)發(fā)動機并預(yù)測其性能的數(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。

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

北京時間 5 月 31 日，SpaceX 最新的載人龍飛船在美國肯尼迪航天中心 39A 發(fā)射臺成功發(fā)射。運載火箭獵鷹9號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)域的一項核心技術(shù)，對此已無需多言。尤其是在火箭發(fā)動機制造領(lǐng)域，3D打印已成為航天制造機構(gòu)搶灘下一代經(jīng)濟性、可重復(fù)利用火箭發(fā)動機的重要“籌碼”。在ESA 近日試車中涉及到的3D打印推力室，是火箭發(fā)動機增材制造的一條關(guān)鍵競爭賽道。

l “百家爭鳴”之勢

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Defense Production Act Title III項目管理辦公室進行的點火測試。通過測試的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)動機的推力室部件。3D打印的銅合金推力室部件由兩個銅合金零件構(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)計帶來了更高的自由度，使設(shè)計師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進結(jié)構(gòu)，如集成內(nèi)部冷通道。而增強的熱傳導(dǎo)能力使得火箭發(fā)動機的設(shè)計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術(shù)所需要的。

美國航天局（NASA）在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進展，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，進行逐層打印，打印時間為10天零18個小時。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)計中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個腔體一起成型。一體化的火箭發(fā)動機，結(jié)合噴射器和推力室，將眾多的單個部件簡化為一個，只有通過激光選區(qū)熔化工藝才能實現(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)遍布整個火箭發(fā)動機，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，中國的深藍航天液氧煤油發(fā)動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優(yōu)化設(shè)計，大量采用3D打印工藝，實現(xiàn)了國內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動機推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達到了國際先進水平。

來源：深藍航天

鉑力特承擔(dān)了此次試車發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D打印工作。發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動機關(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、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)動機推力室制造領(lǐng)域進行了知識產(chǎn)權(quán)布局。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在相關(guān)專利中，Rocket Lab強調(diào)了選區(qū)激光熔化技術(shù)控制火箭發(fā)動機冷卻劑流動通道表面粗糙度的獨特能力：

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，這些特征用于在冷卻劑流動通道的特定區(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3D打印案例，雖只是航天發(fā)動機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)進行增材制造時，冷卻通道直接成為了整體設(shè)計中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個腔體一起成型，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