運用3D打印技術制造下一代火箭發(fā)動機

過去幾年，航空航天領域的公司一直在研究如何利用增材制造即3D打印來助力火箭發(fā)動機的生產。美國洛克達因公司就是這些公司中的代表，一直致力于3D打印RL10發(fā)動機的零部件。6月初，該公司宣布其3D打印的銅質推力室成功完成一系列熱點火測試。對洛克達因公司而言，使用3D打印可以減少發(fā)動機的零部件數(shù)量，從而加快生產并降低成本。洛克達因公司總裁兼首席執(zhí)行官艾琳•德雷克在4月的一次采訪中表示，“使用3D打印可以節(jié)省超過50%的時間，并能夠降低人工成本，減少供應商數(shù)量和零部件數(shù)量�！�

3D打印技術是洛克達因公司升級版RL10C-X發(fā)動機的一個關鍵要素。該公司正在與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟合作開發(fā)這款發(fā)動機，并計劃應用于“火神”（Vulcan）運載火箭的上面級。雖然RL10C-X將應用3D打印技術，但構造基本上與上一個版本一致。許多采用3D打印的其他發(fā)動機也是如此，3D打印的目的是削減成本和生產時間，而不是在結構上做出更新。甚至像火箭實驗室（Rocket Lab）這樣的初創(chuàng)公司也使用3D打印技術來生產其發(fā)動機的所有主要部件。

“增材火箭公司”（ARC）聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官安迪·凱提旺5月在加州舉行的太空科技博覽會上發(fā)表演講稱，“增材制造可以讓設計更加自由，并能消除工程師之前使用傳統(tǒng)方法遇到的所有障礙。”他認為，這個行業(yè)存在一個問題，許多公司都在應用3D打印技術為他們的發(fā)動機打印零部件，但實際上他們打印的很多零部件仍然可以用傳統(tǒng)的方法制造。為此，他聯(lián)合他人創(chuàng)立了ARC公司，尋求運用3D打印技術以一種不同的方式來制造發(fā)動機。“我們打算運用3D打印技術制造一種傳統(tǒng)的雙推進劑發(fā)動機。本質上，其核心能力是完成液體和熱量的移動，我們要做的是使之成為最優(yōu)的推進器�！�

ARC公司將3D打印與一種創(chuàng)成式設計工具相結合，該工具可以利用計算機算法提供數(shù)千種不同的設計方案，然后反復演算以找到最佳的設計方案。這種方法得出的設計方案可能必須使用3D打印才能生產，這將超出傳統(tǒng)發(fā)動機工程師的想象。

ARC公司在其第一臺發(fā)動機上采用了這種方法，該發(fā)動機是一種小型再生冷卻式發(fā)動機。該發(fā)動機從外觀上看和一般的發(fā)動機沒什么區(qū)別，但他的內部卻有幾十個輸送煤油和液氧的管道，就像血管或樹干一樣。這是內部輸送液體燃料的最佳方式之一。這種“仿生”系統(tǒng)得益于創(chuàng)成式設計的應用。該系統(tǒng)可以降低發(fā)動機的壓力差，減少燃料輸送所需的動力，從而減小支撐發(fā)動機的閥門、泵和油箱的尺寸。它還改善了噴嘴的熱傳遞，有利于延長其使用壽命。該公司在其他發(fā)動機上也采用這種方法，包括用于航天器的小型單燃料推進器和冷氣推進器。這些設計可以提高推進器的性能并降低其質量，讓它們可以在小型衛(wèi)星上使用。

ARC并不是唯一一家探索增材制造新應用方法的公司。例如，“相對太空”公司（Relativity Space）正在嘗試對包括發(fā)動機在內的整個火箭進行3D打印，并融資了數(shù)千萬美元用于支持其開發(fā)工作。

來源：美國《航天新聞》/圖片來自互聯(lián)網，國防科技要聞