研究 l 盘点3D打印火箭发动机状况及进展

| 3DScienceValley · 2017/07/03

液体火箭发动机主要由推力室、涡轮泵、燃气发生器、火药启动器和各种阀门、调节器、管路等组成。涡轮泵是由气体涡轮、燃料泵和氧化齐泵等组成，其功用是由涡轮带动泵，将来自贮箱的推进剂的压力由几百千帕提高到几万千帕。然后再送入发动机推力室。涡轮泵结构复杂、工作条件苛刻、压头高，因此，设计效率高的涡轮泵也是发动机研制中的关键。

3D打印技术在预燃烧器生产和火箭制造潜在的其他方面的应用前景意味着美国现在有望改变目前在航天领域依赖俄罗斯的现状。同时也为活跃在火箭制造领域的各大厂商带来了活力与更大的创新空间。

本期，3D科学谷特别为谷友梳理3D打印在飞机发动机领域的应用进展。

迷你发动机
Aerojet Rocketdyne
2014年，航天军工领先制造商GenCorp下属的 Aerojet Rocketdyne宣布，他们用3D打印技术直接制造了一台完整的发动机并成功通过测试，而且由于制造技术的改变，这台发动机的零部件被合并至只有三个！

这是一台液氧/煤油发动机，在Aerojet Rocketdyne公司内部通常被称为“迷你型Banton”。因为这是该公司生产的几款动力并没那么强大的Banton发动机之一，迷你型Banton能够产生高达5000磅的推力。使用增材制造，Banton发动机的零部件数量急剧缩减到只有三个，其中包括喉部和喷嘴部分、喷油器和圆顶组件、燃烧室。

喷嘴
Aerojet Rocketdyne
AR1火箭发动机的单冲量（single-element）主喷油嘴是完全使用3D打印机制造的。AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，美国希望用它来替代俄罗斯的RD-180发动机。喷射器是用选择性激光熔化（SLM）技术制造的，3D打印被证明能够以与传统制造技术相比很低的成本快速制造出复杂的发动机零部件。仅在主喷射器一项，3D打印就把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。

Aerojet Rocketdyne
2015年3月，Aerojet Rocketdyne公司在其萨克拉门托测试中心成功完成了对其AR1增压发动机关键部件的热点火测试。AR1火箭发动机的单冲量（single-element）主喷油嘴是完全使用3D打印机制造的。

AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，美国希望用它来替代俄罗斯的RD-180发动机。根据2015年美国国防授权法案的要求，为了美国国家安全的考虑。到2019年之前美国制造的替代产品要完全取代俄罗斯的RD-180发动机，并可用于火箭发射。

喷管

GKN
2017年，GKN航空航天公司宣布已经向法国的空中客车和赛峰集团提供了先进的Ariane 6号火箭喷管（SWAN）。

直径为2.5米，喷管采用创新技术制造而成，性能更高，交货时间更短，成本更低。通过激光焊接和激光能量沉积工艺对关键结构零部件进行加工，使得喷管的零部件数量减少了90％，从约1000个零部件减少到约100个零部件。并且降低了40%的成本，减少了30%的交货时间。

作为欧洲航天局Ariane研究与技术协会（ARTA）计划的一部分，该喷管已经在全面安装的发动机喷管测试中成功试用。现在，喷管将在法国安装到Vulcain 2.1发动机上并随后在德国进行测试。Ariane 6号火箭计划在2020年投入服务使用，这个项目是由欧洲航天局资助的，而GKN是空中客车和赛峰集团的主要合同承包商。

燃烧室
Aerojet Rocketdyne

最近十年以来，Aerojet Rocketdyne 积极的在RL10火箭发动机和其他航天系统中应用增材制造技术，如AR1火箭发动机中的3D打印喷射器和MPS-120 CubeSat卫星中的模块化推进系统，Aerojet Rocketdyne 希望通过增材制造技术航天零部件的设计自由度和性能。

Aerojet Rocketdyne于2017年4月通过测试的3D打印铜合金推力室部件是全尺寸的，Aerojet Rocketdyne增材制造项目部门表示这是目前最大的3D打印铜合金推力室部件。相比传统的制造工艺，选择性激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化，这正是火箭发射技术所需要的。

NASA
2015年，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室的3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。

部件接下来被送至NASA在弗吉尼亚州的Langley研究中心，那里的研究人员会使用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超合金。当这些完成后，工程人员希望今年夏天在马歇尔飞行中心进行现场点火测试，看它是否真的能在实际环境中发挥作用。NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升，同时至少降低50%的制造成本。

SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机推力室，使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比，使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本，而相比传统制造发动机的成本，而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机，其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。

Aerojet Rocketdyne、Blue Origin、ULA
阿拉巴马州Huntsville的Dynetics和加州Sacramento的Aerojet Rocketdyne公司已经开始着手研发可以替代RD-180的火箭发动机。他们使用3D打印技术生产发动机主要部件：预燃烧器（pre-burner）。

2019年，一台完全由美国人制造的RD-180火箭发动机将会完成。而其他美国制造商，包括亚马逊Jeff Bezos创立的Blue Origin，以及联合发射联盟（ULA），也投身于开发RD-180制造技术的行列，并力图争夺随后重要的政府招标合同。

2015年4月，一家私人持股的航天公司Rocket Lab宣布，该公司开发的世界上第一个用电池做动力的火箭——Electron发射系统（Electron Launch System）正式面世。该火箭使用碳复合材料作为主体，主要用于发射小型卫星进入地球轨道。火箭上使用了电动电Rutherford发动机，值得一提的是这部发动机的所有主要部件都是3D打印的，包括其发动机腔室、泵、主推进剂阀和喷射器等。

阀门、喷嘴、涡轮泵…
Rocket Lab
Rocket Lab在过去十年来一直致力于开发火箭系统，主要产品就是Electron小型运载火箭，可以将卫星送入地球轨道。最为特别的是Electron的发动机的许多关键部件都是3D打印的。

含关键3D打印部件的氧/烃发动机重量23,000kg，有一系列的创新，包括3D打印技术的运用。其独特的电力推进系统，主要利用高性能无刷直流电动机和锂聚合物电池来驱动其涡轮泵。可以说是紧随美国宇航局NASA令业界轰动的3D打印涡轮泵之后。

引擎的关键部件是由瑞典Arcam（Arcam已被GE收购）的设备制造出来的，3D科学谷了解到5000磅重的卢瑟福引擎的关键部件几乎全部由3D打印完成，发动机依赖于电力推进循环。推力室、阀门壳体、喷嘴、涡轮泵都是通过Arcam的电子束熔化钛合金打印技术。锂聚合物电池被用来驱动无刷直流电动机，然后将液态氧和煤油送到燃烧室。

Blue Origin
Blue Origin采用3D打印技术来打印BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子。BE-4是以液化天然气为燃料的新一代火箭发动机。BE-4除了主泵提供的推力，还通过几个“升压”涡轮泵，混合液态氧和天然气从而提供500000磅的推力。3D打印在发动机的生产中发挥了关键作用，更令人大开眼界。Blue Origin的Ox Boost Pump增压泵（OBP）设计利用增材制造技术制造出许多关键部件，从单一的3D打印铝件，到镍合金液压涡轮。增材制造方法允许集成复杂的内部流道到设计中，这是难以通过传统制造技术制造出来的。涡轮喷嘴和转子也通过3D打印出来，仅仅需要很小的后期加工就可以满足精度要求。

除了Blue Origin新的格伦New Glenn火箭发射器， BE-4火箭发动机还可以被用在火神火箭发射器上，该火箭发射器是由联合发射联盟（ULA）开发的。

盘类、环类、叶片、轴类和壳体部件
NASA

NASA通过美国俄勒冈州的Metal Technology（MTI）公司为NASA旗下的Johnson太空中心生产Inconel 718合金部件。Inconel 718合金在650度以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能。

Inconel 718合金组织对热加工工艺特别敏感，加工者需要掌握合金中相析出和熔化规律及组织与工艺、性能间的相互关系，来开发出可行的工艺，才能制造出满足不同强度级别和使用要求的零件。Inconel 718合金的盘类、环类、叶片、轴类和壳体部件被用于下一代火箭发动机零部件。

氧化剂阀体
SpaceX

2017年1月，SpaceX在加州范登堡空军基地成功发射了一枚猎鹰9号火箭，猎鹰9号火箭上含有大量的3D打印零件，包括关键的氧化剂阀体，3D打印的阀体成功操作了高压液态氧在高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比，3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比，3D打印阀体在两天内就完成了。经过后加工处理的3D打印阀体经过广泛的测试程序–包括严格的发动机点火系列、部件级资格测试和材料测试才被纳入猎鹰9号火箭的标准零件。

电火箭发动机
Rocket Lab

AMDE计划

美国航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心承担了许多著名的外太空探索任务，马歇尔太空飞行中心已经参与了20多年的增材制造技术实践，该飞行中心已经安装和使用了5年多Concept Laser （Concept Laser已被GE收购）的设备。

NASA与2012年启动了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造验证机的计划，3D科学谷了解到原因是因为NASA认为3D打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力。在3年内，团队通过增材制造出100多个零件,并设计了一个可以通过3D打印来完成的发动机原型。而通过3D打印，零件的数量可以减少80%，并且仅仅需要30处焊接。