透過SpaceX 3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)深度剖析3D打印前景

本帖最后由小軟熊于 2017-1-19 16:02 編輯

目前，在所有將3D打印技術(shù)用于航天器制造的機(jī)構(gòu)或企業(yè)中，除了美國(guó)航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、SpaceX這樣實(shí)力雄厚的公司，還有就是初創(chuàng)企業(yè)Rocket Lab（RL），據(jù)南極熊了解，2017年1月14日當(dāng)?shù)貢r(shí)間，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發(fā)射了一枚獵鷹9號(hào)火箭，終于一掃去年發(fā)射塔上火箭爆炸的陰影，大家可能指導(dǎo)SpaceX是首次完成了火箭回收的企業(yè)。

獵鷹9號(hào)火箭上含有大量的3D打印零件，包括關(guān)鍵的氧化劑閥體，3D打印的閥體成功操作了高壓液態(tài)氧在高震動(dòng)情況下的正常運(yùn)行。接下來(lái)就SpaceX發(fā)射的獵鷹9號(hào)火箭上的3D打印技術(shù)，結(jié)合與美國(guó)宇航局NASA合作的另外幾家航天泰斗馬歇爾太空飛行中心，Aerojet Rocketdyne，以及Rocket Lab在3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面的計(jì)劃來(lái)透視3D打印在這一領(lǐng)域的前景。

圖片：SpaceX 3D打印的氧化劑閥體

與傳統(tǒng)鑄造件相比，3D打印閥體具有優(yōu)異的強(qiáng)度、延展性和抗斷裂性。并且與典型鑄件周期以月來(lái)計(jì)算相比，3D打印閥體在兩天內(nèi)就完成了。

設(shè)計(jì)是個(gè)快速迭代的過程，這為SpaceX搶占時(shí)間和快速優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了極佳的便利條件。3D科學(xué)谷了解到經(jīng)過后加工處理的3D打印閥體經(jīng)過廣泛的測(cè)試程序–包括嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系列、部件級(jí)資格測(cè)試和材料測(cè)試才被納入獵鷹9號(hào)火箭的標(biāo)準(zhǔn)零件。

除了獵鷹9號(hào)火箭，SpaceX于2013年就成功通過EOS金屬3D打印機(jī)制造SuperDraco火箭發(fā)動(dòng)機(jī)引擎室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)相比，使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的交貨期和并降低制造成本，而相比傳統(tǒng)制造發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，而且可以實(shí)現(xiàn)“材料的高強(qiáng)度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優(yōu)良屬性。這是一種非常復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)都很難制造。EOS能夠打印非常高強(qiáng)度的先進(jìn)合金,是創(chuàng)造SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

3D打印使得有爭(zhēng)議的月球快車任務(wù)成為可能，而總部位于加利福尼亞的商業(yè)航空公司月球快車，準(zhǔn)備在2017年發(fā)送他們的火箭到月球上實(shí)現(xiàn)此類計(jì)劃。月球快車使用的3D打印引擎是由總部設(shè)在洛杉磯的Rocket Lab-火箭實(shí)驗(yàn)室提供的。

引擎的關(guān)鍵部件是由瑞典Arcam（Arcam已被GE收購(gòu)）的設(shè)備制造出來(lái)的，據(jù)悉，5000磅重的盧瑟福引擎的關(guān)鍵部件幾乎全部由3D打印完成，發(fā)動(dòng)機(jī)依賴于電力推進(jìn)循環(huán)。推力室、閥門客體、噴嘴、渦輪泵都是通過Arcam的電子束熔化鈦合金打印技術(shù)。鋰聚合物電池被用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，然后將液態(tài)氧和煤油送到燃燒室。

Rocket Lab相信他們可以降低發(fā)射成本，平均每發(fā)射為490萬(wàn)美元。這與2億2500萬(wàn)美元的發(fā)射行情比起來(lái)便宜了相當(dāng)大的部分，而SpaceX公司6200萬(wàn)元的收費(fèi)，已被認(rèn)為是極大的減少了航天費(fèi)用。

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)。根據(jù)2015年美國(guó)國(guó)防授權(quán)法案的要求，為了美國(guó)國(guó)家安全的考慮。到2019年之前美國(guó)制造的替代產(chǎn)品要完全取代俄羅斯的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，并可用于火箭發(fā)射。

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馬歇爾太空飛行中心

美國(guó)航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心承擔(dān)了許多著名的外太空探索任務(wù)，馬歇爾太空飛行中心已經(jīng)參與了20多年的增材制造技術(shù)實(shí)踐，該飛行中心已經(jīng)安裝和使用了5年多Concept Laser （Concept Laser已被GE收購(gòu)）的設(shè)備。

圖：開發(fā)推進(jìn)裝置的增材制造并行路徑

NASA與2012年啟動(dòng)了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造驗(yàn)證機(jī)的計(jì)劃，據(jù)悉，原因是因?yàn)镹ASA認(rèn)為3D打印在制造液態(tài)氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面頗具潛力。在3年內(nèi)，團(tuán)隊(duì)通過增材制造出100多個(gè)零件,并設(shè)計(jì)了一個(gè)可以通過3D打印來(lái)完成的發(fā)動(dòng)機(jī)原型。而通過3D打印，零件的數(shù)量可以減少80%，并且僅僅需要30處焊接。

圖：3D打印的發(fā)動(dòng)機(jī)部件減少大量零件

在3年的探索中，總共花費(fèi)了1000萬(wàn)美金，用到的人員數(shù)量?jī)H相當(dāng)于過去20-25%的投入。當(dāng)然，NASA對(duì)增材制造的重視不僅僅來(lái)自于經(jīng)費(fèi)和人員的節(jié)約，增材制造使得設(shè)計(jì)迭代變得十分快速，NASA用Concurrent(同時(shí)迭代）來(lái)描述這一變化。

之前，NASA遇到過通過傳統(tǒng)方法制造的軸與輪轂不合格的情況，如果按照傳統(tǒng)方式來(lái)返工是不可能的，而通過3D打印在2個(gè)月內(nèi)就完成了新的設(shè)計(jì)迭代。不僅減少零件數(shù)量，加快迭代速度，3D打印還使得零件的性能提升，這使得最終的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品更加緊湊和高效。