上�？臻g推進(jìn)研究所等 l 增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用

來(lái)源：中國(guó)航天

摘 要: 在空間推進(jìn)領(lǐng)域，采用增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一體化成型，提升模塊化和集成化程度，在制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴的構(gòu)件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外主要航天機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi)展增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。常用的增材制造技術(shù)包括激光選區(qū)熔化技術(shù)、定向能量沉積技術(shù)、電子束熔化成型技術(shù)和立體光固化成型技術(shù)等。本文主要介紹在空間推進(jìn)領(lǐng)域通過(guò)增材制造技術(shù)制備的各類(lèi)構(gòu)件，包括推力室噴注器、再生冷卻身部、陽(yáng)極和貯箱等。同時(shí)，總結(jié)了增材制造在這些應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探討了其在空間推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)和潛在機(jī)遇。

伴隨著深空探測(cè)、載人登月、衛(wèi)星組網(wǎng)等空間活動(dòng)的迅速發(fā)展，世界主要航天大國(guó)都加快了航天器的研制進(jìn)程。作為航天器的核心構(gòu)件，空間推進(jìn)系統(tǒng)在姿態(tài)調(diào)節(jié)、軌道控制等方面起到至關(guān)重要的作用，其發(fā)展方向?yàn)殚L(zhǎng)壽命、輕量化、可重復(fù)使用、快速響應(yīng)迭代及定制化。近年來(lái)，增材制造技術(shù)取得顯著進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，尤其在提升空間推進(jìn)系統(tǒng)輕量化、一體化和模塊化水平方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)介紹了增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)系統(tǒng)各組成部分的應(yīng)用，包括液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室和貯箱、電推力器陽(yáng)極部件和陶瓷組件等，并總結(jié)了增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

一、增材制造技術(shù)
增材制造技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制方法，按照指定路徑將材料逐層沉積到基板上形成產(chǎn)品的加工方法。相比于傳統(tǒng)鑄造和機(jī)加工等方法，增材制造技術(shù)可用于快速制造復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件，并可用于金屬、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料和生物材料等多種材料。在空間推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的有激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）、定向能量沉積技術(shù)（DED）、電子束熔化成型技術(shù)（EBM）、熔融沉積技術(shù)（FDM）和立體光固化成型技術(shù)（SLA）等，如圖1所示。

圖1 增材制造技術(shù)分類(lèi)

與傳統(tǒng)鑄造、鍛壓和機(jī)械加工等方式相比，增材制造技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成型精度高及設(shè)計(jì)自由度高等優(yōu)勢(shì)。但是增材制造加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生元素?zé)龘p，并且熱應(yīng)力較高，很容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。伴隨著增材制造在各個(gè)行業(yè)的推廣應(yīng)用，可用于增材制造的材料也極大豐富，金屬材料包括鋼、鋁合金、鈦合金和高溫合金，并且在高熵合金方面也相繼開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的新材料，如圖2（a）、（b）所示。而在陶瓷材料方面，美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL）通過(guò)SLA技術(shù)制備的SiOC陶瓷可以承受1700℃的高溫（見(jiàn)圖2（c））。

圖2 適用于增材制造的新材料

二、增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用

空間推進(jìn)系統(tǒng)是將化學(xué)能、電能、太陽(yáng)能和核能等轉(zhuǎn)化為噴射動(dòng)能的技術(shù)，主要用于各類(lèi)航天器軌道控制、姿態(tài)調(diào)整等。隨著衛(wèi)星快速組網(wǎng)、遠(yuǎn)地小行星探測(cè)的需求不斷增多，空間探測(cè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，這對(duì)航天器尤其是空間推進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性提出了更高的要求。
雖然輕量化設(shè)計(jì)概念存在于諸多行業(yè)中，但在空間推進(jìn)領(lǐng)域尤其重要，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量不僅可以提高有效載荷，而且針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件，還可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而降低啟動(dòng)扭矩、制動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)部件與軸之間的相互作用力矩等。目前太空探索任務(wù)成本已達(dá)到20000歐元/kg，減少結(jié)構(gòu)載荷可以降低發(fā)射成本。

（一）國(guó)外現(xiàn)狀

1.美國(guó)
早在2013年，美國(guó)就已開(kāi)發(fā)出AMPS-H微型推進(jìn)系統(tǒng)，將貯箱和燃燒室集成在一起，實(shí)現(xiàn)一體化成型，并在普羅維登斯推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行液流測(cè)試和持續(xù)16s的點(diǎn)火測(cè)試。同年，美國(guó)高校通過(guò)增材制造技術(shù)制備出立方星的電子設(shè)備，極大提升了研制效率。
NASA最早于2015年進(jìn)行面向增材制造的立方星的組件設(shè)計(jì)，洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）分別設(shè)計(jì)了活塞罐和球形罐。其中活塞罐包括增材制造的罐體、推力室和支架，球形罐則減少了50%的零件數(shù)量，消除了焊縫，成本降低了70%，為低成本制造小型衛(wèi)星提供了解決方案。NASA通過(guò)SLM方法制備了純鎢的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的推力器部件和細(xì)小的晶格結(jié)構(gòu)，并可承受2300℃的高溫。
賓夕法尼亞大學(xué)Lunar Lion團(tuán)隊(duì)將增材制造方法用于月面著陸系統(tǒng)中雙元發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的“鉛筆”推力器開(kāi)發(fā)中。如圖3所示，傳統(tǒng)推力器由12個(gè)單獨(dú)零件組成，通過(guò)螺紋連接并焊在一起，在燃燒室中混合液氧和燃料，然后用安裝在燃燒室另一端的火花塞點(diǎn)燃混合物。基于增材制造方法將“鉛筆”推力器簡(jiǎn)化為三部分，并且充分考慮了支撐數(shù)量、成型方向等因素。經(jīng)驗(yàn)證，加工時(shí)間縮短超過(guò)86%，零件數(shù)量減少33%，密封面數(shù)量減少了66%。

圖3 “鉛筆”推力器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和增材制造改進(jìn)方案

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的得克薩斯航天器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種低溫氣體推力器，包含增材制造技術(shù)制備的推進(jìn)劑管道、貯箱和噴嘴等部件，可產(chǎn)生60 mN的推力，用于立方星的姿態(tài)控制任務(wù)。Olano等人制造了小型化霍爾推力器，使用了SmCo永磁體，即使在高溫下也能產(chǎn)生必要的磁場(chǎng)，并使用316不銹鋼增材制造陽(yáng)極，通過(guò)選擇性激光熔化生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)技術(shù)更復(fù)雜。陽(yáng)極設(shè)計(jì)顯著影響推進(jìn)劑分布，因此更復(fù)雜的增材制造制備的設(shè)備可以比傳統(tǒng)制造更均勻地定制推進(jìn)劑分布。Romei等人通過(guò)SLM方法制備了316L不銹鋼高縱橫比的薄壁同心加熱管，用于電阻加熱電推力器，如圖4所示，驗(yàn)證了增材制造制備超高溫多功能熱交換器的工作性能，經(jīng)測(cè)試，推力為(9.7±0.025)~(29.8±0.025)mN，最大比沖測(cè)量值為(80.11±1.22)s。2023年，ThrustMe公司選用3DCeram公司增材制造的陶瓷組件用于電推力器，從而提升研制效率，克服傳統(tǒng)加工工藝中開(kāi)模所需時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。作為首個(gè)實(shí)現(xiàn)碘工質(zhì)電推力器在軌工作的公司，ThrustMe公司對(duì)增材制造陶瓷材料進(jìn)行了充分的評(píng)估，可以有效隔離和防止高壓電氣擊穿，保障電推力器的使用性能（見(jiàn)圖5）。麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出全增材制造的納米電噴推力器，采用氧化鋅納米線的水熱生長(zhǎng)工藝制造而成，可釋放出純凈的離子流，比同類(lèi)電噴推力器擁有更高的比沖，用于微型衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng)，如圖6所示。

圖4 電阻加熱電推力器

圖5 電推力器陶瓷組件

圖6 通過(guò)增材制造制備的納米電噴推力器

NASA宇宙飛船與輔助推進(jìn)系統(tǒng)分部在2016年通過(guò)增材制造方法成功制備了立方體貯箱，測(cè)試爆破壓力超過(guò)了1600Pa，安全系數(shù)為5，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：最大設(shè)計(jì)壓力為400Pa，爆炸系數(shù)為4。在基于增材制造的研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員將燃料管道變?yōu)閭?cè)壁的流道，從而制備出具有整體式流道的推進(jìn)劑貯箱，避免了開(kāi)孔再封堵等步驟，有助于減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量。目前NASA正在對(duì)1N推力器進(jìn)行改進(jìn)，以充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢(shì)。


Aerojet Rocketdyne公司將增材制造與推力可擴(kuò)展的自流式MON-25推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，將多個(gè)推力器集成到一個(gè)模塊的反作用控制系統(tǒng)中，如圖7所示，RC-120是基于ISE-100推力器改進(jìn)的適合增材制造的型號(hào)，采用SLM方法制備一體化噴注器模塊和推力室身部，相比于傳統(tǒng)加工的推力器，雖然損失了20~50s的比沖，但是成本降低了70%。

圖7 RC-120推進(jìn)系統(tǒng)

2023年1月3日，搭乘“獵鷹”9火箭的“軌道器”（Orbiter）太空拖船順利發(fā)射，其發(fā)動(dòng)機(jī)推力室采用了增材制造技術(shù)制備的鎳基高溫合金構(gòu)件，大幅降低成本的同時(shí)，提高了一體化程度，縮短了研制周期。2023年，NASA在RAMFIRE項(xiàng)目中與Elemntum 3D公司合作，采用A6061-RAM2材料，通過(guò)增材制造方法成功制備并測(cè)試了新型鋁合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管（見(jiàn)圖8），累計(jì)運(yùn)行近10min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可以承受月面著陸器規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)的熱、結(jié)構(gòu)和壓力負(fù)載。

圖8 通過(guò)增材制造技術(shù)制備的鋁合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管試車(chē)測(cè)試

2.其他國(guó)家或地區(qū)

歐空局與澳大利亞Monash大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展輕質(zhì)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，如圖9所示，發(fā)動(dòng)機(jī)身部帶有隨形冷卻夾心結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)冷卻槽道相比，接觸面積更大，熱交換效果更好，可以有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。歐洲探索公司與阿聯(lián)酋LEAP71公司于2023年開(kāi)始在空間發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域展開(kāi)合作，利用計(jì)算工程模型，通過(guò)自適應(yīng)邊界條件和參數(shù)（推進(jìn)劑類(lèi)型、推力等），進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，并通過(guò)迭代優(yōu)化，快速得到發(fā)動(dòng)機(jī)原型，如圖10所示。

圖9 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)身部隨形夾層結(jié)構(gòu)

圖10 LEAP71采用增材制造設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)截面

（二）我國(guó)現(xiàn)狀

目前空間推進(jìn)系統(tǒng)主要采用冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)等方式，其中化學(xué)推進(jìn)可分為單組元和雙組元。近年來(lái)，遠(yuǎn)地小行星探測(cè)等空間任務(wù)持續(xù)推進(jìn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)壽命和可靠性提出了更高的要求，上�？臻g推進(jìn)研究所先后進(jìn)行了5000N、15000N和20000N火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部的攻關(guān)工作，圖11為5000N發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部實(shí)物及試車(chē)照片。圖12為15000N火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物及點(diǎn)火試車(chē)圖片，經(jīng)地面熱試車(chē)和高空模擬熱試車(chē)驗(yàn)證，單次連續(xù)最長(zhǎng)工作時(shí)間達(dá)到100s，真空比沖為315.3s，達(dá)到相同系統(tǒng)參數(shù)下國(guó)際先進(jìn)水平。如圖13所示，20000N液氧甲烷軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用增材制造技術(shù)制備了一體化推力室，并完成多次熱試車(chē)考核，真空比沖達(dá)到3560Ns/kg。

圖11 5000N再生冷卻身部結(jié)構(gòu)及試車(chē)試驗(yàn)圖片

圖12 15000N發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部結(jié)構(gòu)及地面點(diǎn)火試驗(yàn)圖片

圖13 增材制造一體化20000N液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)

在電推力器方面，上�？臻g推進(jìn)研究所通過(guò)SLM技術(shù)成功制備了80mN電推力器陽(yáng)極，并進(jìn)行了氙氣工質(zhì)試車(chē)考核，累計(jì)點(diǎn)火6h55min，推力符合設(shè)計(jì)要求，如圖14所示。

圖14 陽(yáng)極部件及點(diǎn)火試車(chē)

星河動(dòng)力（北京）空間科技有限公司研制的“谷神星”一號(hào)商業(yè)運(yùn)載火箭中，四級(jí)采用了增材制造的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖15所示，為我國(guó)首次完全采用增材制造方案的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖15 “谷神星”一號(hào)四級(jí)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)

三、結(jié)束語(yǔ)

在空間推進(jìn)領(lǐng)域，增材制造面臨諸多挑戰(zhàn)，主要有以下幾個(gè)方面：
（1）增材制造技術(shù)制備的構(gòu)件與傳統(tǒng)鑄、鍛、機(jī)加工的構(gòu)件在內(nèi)部組織和力學(xué)性能等方面有顯著不同，尤其是缺陷，其尺寸較小，但是層間微裂紋很容易擴(kuò)展成為宏觀裂紋。目前的CT和X射線檢測(cè)精度有限，而且受限于結(jié)構(gòu)尺寸，亟須開(kāi)發(fā)更適用于增材制造構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的設(shè)備和技術(shù)。空間推進(jìn)領(lǐng)域構(gòu)件經(jīng)常處于高溫和交變載荷的作用下，內(nèi)部的缺陷很容易成為裂紋源，發(fā)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)較大。

（2）空間推進(jìn)領(lǐng)域尤其是噴注器等關(guān)重件對(duì)多余物防控和流阻要求較高，目前增材制造的特征分辨率和表面粗糙度尚未達(dá)到精密制造的要求，這不僅需要提升增材制造的成型精度和致密度，更需要開(kāi)發(fā)合適的后處理方法（化銑、電化學(xué)拋光、磨粒流等），才能更有效地運(yùn)用增材制造技術(shù)。

（3）增材制造在減重方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，尤其是復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增材制造方法成型，但是空間推進(jìn)系統(tǒng)需要經(jīng)受振動(dòng)、沖擊、高低溫等復(fù)雜的熱/力環(huán)境，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)尺寸較小，仿真計(jì)算工作量較大，精度較低，需要進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)處理并配合驗(yàn)證手段，提高增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在空間推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

近年來(lái)，空間推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)可重復(fù)使用、輕量化及長(zhǎng)時(shí)間服役等方面提出了更高的要求，增材制造技術(shù)在一體化、模塊化和輕量化等方面的優(yōu)勢(shì)使其在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用中迎來(lái)了新機(jī)遇。

（1）空間推進(jìn)系統(tǒng)中的復(fù)雜構(gòu)件越來(lái)越多地采用增材制造技術(shù)，在保證使用性能的同時(shí)，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，縮小體積，并且極大提高了研制效率。此外，增材制造技術(shù)也為結(jié)構(gòu)功能一體設(shè)計(jì)和制造提供了更大的自由度，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高能量吸收、傳熱及承載能力。

（2）空間推進(jìn)領(lǐng)域的部分構(gòu)件需要較高的高溫強(qiáng)度、良好的絕緣性及耐磨性等，雖然陶瓷等材料滿足要求，但是傳統(tǒng)加工難度大，成品率低。增材制造技術(shù)也為陶瓷等材料的制備提供了新的途徑，由于其高精度和高致密度成型特點(diǎn)，在陶瓷等新材料的制備方面具備較大潛力。

（3）增材制造技術(shù)為空間推進(jìn)系統(tǒng)的在軌維護(hù)提供了可能性，目前聚合物已經(jīng)可以在太空中進(jìn)行增材制造，未來(lái)金屬和陶瓷材料的增材制造實(shí)現(xiàn)后可用于在軌替換零件等工作。

作者簡(jiǎn)介
楊旭東1  周俊1  焦自賢1  徐鑫2  謝屹2
1.上�？臻g推進(jìn)研究所；2.上�？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心