AEROJET采用3D打印技術(shù)優(yōu)化航天發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)低成本和更快的太空探索

2022年4月9日，南極熊獲悉，美國(guó)航空航天推進(jìn)系統(tǒng)制造商Aerojet Rocketdyne使用3D打印技術(shù)和nTopology的工程軟件，優(yōu)化了航空發(fā)動(dòng)機(jī)，反應(yīng)控制系統(tǒng)(RCS）中的關(guān)鍵組件。

△RCS四推進(jìn)器模采用3D打印工藝。圖片來(lái)自nTopology

通過(guò)技術(shù)改良，Aerojet的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件重量減輕了67%，同時(shí)還將推進(jìn)器的總體生產(chǎn)成本降低了 66%，以實(shí)現(xiàn)更快、更可持續(xù)的月球探索。

“我們充分利用過(guò)去十年間在工程軟件和工業(yè)制造方面取得的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合3D打印技術(shù)在現(xiàn)有工藝上進(jìn)行改良，大大提高設(shè)計(jì)性能，”Aerojet的任務(wù)架構(gòu)師James Horton說(shuō).

Aerojet Rocketdyne和它的3D打印
該公司二十多年來(lái)一直致力于將3D打印技術(shù)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)防御系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改良。2017 年，它多次對(duì)外公布會(huì)使用Sigma Labs的PrintRite3D軟件，并將3D打印的預(yù)燃器集成到AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。

早些時(shí)候，他們宣傳已開(kāi)發(fā)出RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)版本，并通過(guò)了美國(guó)宇航局(NASA)的熱火測(cè)試程序，之后為支持SLS項(xiàng)目，完成了洛杉磯工廠的大規(guī)模擴(kuò)建。

最近，Aerojet將3D Material Technologies的3D打印、CNC加工和MIM功能整合到他們的產(chǎn)品制造中。該公司一直致力于開(kāi)發(fā)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，近期還獲得了為NASA 的“SLS 項(xiàng)目”制造16個(gè)航天發(fā)動(dòng)機(jī)，合同價(jià)值17.9億美元。

△Aerojet的工程師與RL10C-X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。圖片來(lái)自nTopology

優(yōu)化火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件
作為與NASA合作的一部分，Aerojet正在重新設(shè)計(jì)由阿波羅時(shí)代太空計(jì)劃遺留下來(lái)的問(wèn)題，為NASA的Artemis計(jì)劃開(kāi)發(fā)獵戶座航天推進(jìn)器和太空發(fā)射系統(tǒng)。

該公司一直致力于優(yōu)化RCS系統(tǒng)關(guān)鍵部件的重量和成本，系統(tǒng)控制航天器和月球著陸器飛行時(shí)的高度和方向，由放置在航天器和月球著陸器周圍的四個(gè)服務(wù)艙組成，每個(gè)服務(wù)艙有四個(gè)推進(jìn)器。

為了更好地控制航天器的速度、俯仰和滾轉(zhuǎn)，四個(gè)推進(jìn)器的設(shè)置允許每個(gè)航天器獨(dú)立點(diǎn)火。作為阿波羅計(jì)劃的一部分，美國(guó)宇航局委托制造了600多個(gè)推進(jìn)器，以支持12次載人航天飛行，并進(jìn)行了測(cè)試和鑒定。降低推進(jìn)器的成本可以大大降低Artemis項(xiàng)目的總成本，因此Aerojet公司希望通過(guò)3D打印和nTopology的工程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)以上優(yōu)化。

△優(yōu)化的噴射器塊的橫截面。圖片來(lái)自nTopology

Horton在傳統(tǒng)推進(jìn)器設(shè)計(jì)方案中，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)可以改進(jìn)的點(diǎn)，并試圖減少組件的數(shù)量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，隨后通過(guò)nTopology建模軟件分析并確保設(shè)計(jì)的可行性。該軟件還允許改進(jìn)零件的疲勞強(qiáng)度并減輕應(yīng)力集中。此外，還可以控制推進(jìn)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，例如晶格鯛的厚度，從而實(shí)現(xiàn)減輕零件重量。

RCS推進(jìn)器是用鈦6Al-4V材料在Velo3D藍(lán)寶石金屬3D打印機(jī)上打印的，鈦6Al-4V是制造雙推進(jìn)劑推進(jìn)器的典型材料，其密度只有Inconel 718的一半。該零件的成功，是Aerojet 努力開(kāi)發(fā)RCS模塊的重要步驟之一，模塊質(zhì)量是傳統(tǒng)制造的五分之一，尺寸是傳統(tǒng)制造的一半，同時(shí)生產(chǎn)成本也只有傳統(tǒng)制造的三分之一。

Horton補(bǔ)充道:“我們已經(jīng)證明，通過(guò)減少零件數(shù)量和勞動(dòng)力，是一條可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)解決方案。我很期待將這款產(chǎn)品推向太空。”