綜述：航空航天領(lǐng)域的金屬增材制造之三

來源：江蘇激光聯(lián)盟

金屬增材制造可被應(yīng)用于多領(lǐng)域，本綜述著重介紹其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用、該領(lǐng)域應(yīng)用此技術(shù)的優(yōu)勢所在、現(xiàn)有應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)、該領(lǐng)域未來發(fā)展的潛力以及對該技術(shù)應(yīng)用的展望。此為第二部分（總共四大類應(yīng)用），本文主要介紹該技術(shù)在航空航天中的其中兩大獨(dú)特應(yīng)用——熱力裝置和液體燃料火箭部件！

2.3. 熱力裝置  
采用AM（增材制造）制造的先進(jìn)傳熱裝置在減少制造時(shí)間、改善熱交換器(HXs)、散熱器(HSs)和熱管(HPs)在生產(chǎn)復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀方面的性能方面有很大的潛力。熱交換器對于航空航天領(lǐng)域部件的應(yīng)用（如飛機(jī)和宇宙飛船發(fā)動(dòng)機(jī)的性能）至關(guān)重要。散熱器通常用于飛機(jī)和航天器電子方面。這兩者的傳統(tǒng)制造技術(shù)通常分別是釬焊技術(shù)和數(shù)控銑削技術(shù)，然而這些技術(shù)的缺陷也非常明顯。雖然釬焊是一種有效的制造方法，但對熱交換器它通常包含大量耗時(shí)的工作、實(shí)現(xiàn)合理間隙的高公差并且通常需要昂貴的材料，而這種材料增加了組件的成本。此外，散熱器的數(shù)控銑削技術(shù)則受到其復(fù)雜性的限制。

因?yàn)檫@些原因，AM技術(shù)正被用于兩者趨利避害，既提升復(fù)雜性、也增強(qiáng)靈活性——實(shí)現(xiàn)性能提升，使設(shè)計(jì)者能夠提高比表面積（表面積-體積比）。此外，釬焊技術(shù)通常限于那些與制造流程相容的材料，但AM則允許制造設(shè)備使用更多種材料。Gobetz等人進(jìn)行了一項(xiàng)證明在航空航天應(yīng)用的熱交換器中使用AM技術(shù)可行性的研究，力圖實(shí)現(xiàn)更直接的制造，而不是目前熱交換應(yīng)用中的傳統(tǒng)制造和組裝技術(shù)。

Gradl完成的一個(gè)案例研究強(qiáng)調(diào)了AM在飛機(jī)熱力交換的典型應(yīng)用中的優(yōu)勢。該研究以飛機(jī)機(jī)油冷卻器為例，比較了AM相對于傳統(tǒng)制造方法在熱交換部件中的功能。所述部件是現(xiàn)有常規(guī)制造的熱交換器的直接復(fù)制品。利用激光粉末床熔融 (LPBF) 技術(shù)，用鑄造鋁合金（AlSi10Mg）制造該組件。盡管AM制造工藝在組件中產(chǎn)生了一些缺陷，但在測試中，其性能明顯更優(yōu)，證明了AM熱交換器在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。

更值得注意的是，通用電氣已經(jīng)將AM 熱交換納入了他們目前正在運(yùn)行的最新GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)系列中，將鋁合金(F357)應(yīng)用在LPBF機(jī)器上制造而成。熱交換器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，通過AM制造技術(shù)可減小尺寸、減輕質(zhì)量、降低成本和提高耐用性。

▲ 圖1 GE9X商業(yè)引擎

美國國家航空航天局(NASA)最近的火星任務(wù)是向火星運(yùn)送另一輛火星車。這艘名為“毅力號(hào)”的火星車的任務(wù)是尋找遠(yuǎn)古生命的跡象，并收集浮土和巖石樣本，并在未來返回地球。該火星車于2021年2月登陸火星，搭載了11個(gè)采用金屬AM技術(shù)制造的部件。在這11個(gè)組件中，有6個(gè)是在莫邪(火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)的簡稱)中使用的AM制造的熱交換器。這些熱交換器暴露在火星大氣中，必須長時(shí)間承受超過800攝氏度的超高溫。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鎳基高溫合金被用于熱交換器結(jié)構(gòu)。與使用傳統(tǒng)技術(shù)制造相比，這簡化并提高了莫邪系統(tǒng)的性能。除了6個(gè)熱交換器之外，毅力號(hào)還在它的X射線巖石化學(xué)行星儀器（PIXL）上安裝了5個(gè)其他AM部件。為了減輕PIXL的質(zhì)量，AM被用于制造雙層鈦殼、安裝框架和兩個(gè)支撐支柱，與傳統(tǒng)方法制造的部件相比，所有這些部件的質(zhì)量都減少了2/3或3/4。

▲ 圖2 PIXL的外殼，前半部分的雙層鈦殼

由于與傳統(tǒng)制造方法相比，AM為組件提供了前所未有的復(fù)雜性，因此在充分優(yōu)化熱交換器(HXs)和散熱器(HSs)等器件的設(shè)計(jì)能力方面往往存在局限性。通過熱TO（拓?fù)鋬?yōu)化，topologyoptimization，以下簡稱TO)的形式應(yīng)用AM技術(shù)，優(yōu)化工具在熱交換器和散熱器中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。deBock 等人的一篇論文展示了在散熱器應(yīng)用中使用混合分析熱TO (HAATO)的潛在性能。盡管這些優(yōu)化技術(shù)仍處于初級(jí)階段，但通過增加其幾何復(fù)雜性，它們有可能大幅提高HSs和HXs的性能。圖3顯示了他們的AM HX設(shè)計(jì)令人難以置信的內(nèi)部復(fù)雜性，旨在用于賽車運(yùn)動(dòng)。高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)針對大表面積進(jìn)行了優(yōu)化，增強(qiáng)了熱交換。雖然這不是航空航天的例子，但航空航天部件的原理和優(yōu)點(diǎn)是相同的。

▲圖3 Conflux F1換熱器的應(yīng)用

內(nèi)部冷卻通道的例子存在于內(nèi)燃機(jī)的氣缸體中和飛機(jī)的高壓渦輪葉片中。這些集成系統(tǒng)通常受到傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，例如連接、釬焊、鑄造和數(shù)控銑削工藝。AM技術(shù)為內(nèi)部冷卻通道和微晶格結(jié)構(gòu)以及相關(guān)設(shè)計(jì)的選擇提供了更多的復(fù)雜性。小型無人機(jī)設(shè)計(jì)和制造商Cobra Aero試圖利用AM、優(yōu)化技術(shù)和晶格結(jié)構(gòu)來改進(jìn)他們的無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)減量和優(yōu)化傳熱特性。使用AM，他們生產(chǎn)了一個(gè)利用多場耦合模擬（multi-physics simulations ）氣缸體，該模擬考慮了溫度場、流場、磁場、應(yīng)力場和壓力因素，最終使優(yōu)化設(shè)計(jì)的氣缸體比通過傳統(tǒng)制造方法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)更具熱效率。

▲圖4 Cobra Aero AM和晶格氣缸體設(shè)計(jì)

熱氣防冰是商用飛機(jī)上廣泛使用的防冰系統(tǒng)，可限制飛機(jī)機(jī)翼前緣結(jié)冰。Bici等人探索了晶格結(jié)構(gòu)在多功能面板中的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)側(cè)重于通過AM技術(shù)制造的單件翼型，具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)，將熱空氣分配到翼型的前緣，以防止結(jié)冰。此外，該設(shè)計(jì)通過使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)減少前緣的質(zhì)量來減輕結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

HiETA是一家總部位于英國的工程公司，使用激光粉末床熔融等AM技術(shù)為航空航天市場生產(chǎn)各種產(chǎn)品，特別關(guān)注熱力交換和冷卻設(shè)備。他們使用AM技術(shù)生產(chǎn)內(nèi)部冷卻的徑流式渦輪機(jī)葉輪和外殼。渦輪葉輪由CM247 LC（鎳基沉淀硬化型定向凝固柱晶高溫合金,使用溫度在1050℃以下）或Inconel鉻鎳鐵合金合金制成，具有復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道，可在降低部件質(zhì)量的同時(shí)提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度。

▲圖5 HiETA熱交換器

2.4. 液體燃料火箭部件

過去20年來，以空間探索、科學(xué)研究、通信衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星、國際空間站長期載人以及其他任務(wù)為形式的天基活動(dòng)迅速增加。所有這些活動(dòng)都得到了美國航天局NASA阿耳忒彌斯Artemis計(jì)劃和許多進(jìn)入軌道發(fā)射市場的私營公司的幫助。隨著發(fā)射供應(yīng)商之間的競爭逐漸激烈，創(chuàng)新也激增，先進(jìn)的制造技術(shù)（如AM）在空間發(fā)射系統(tǒng)和衛(wèi)星中被廣泛使用。衛(wèi)星、空間站和航天發(fā)射系統(tǒng)號(hào)稱是最昂貴的人造物體，僅國際空間站就耗資1600億美元，且這些花費(fèi)還在不斷增加。與傳統(tǒng)制造方法相比，AM在低成本方面具有明顯優(yōu)勢，有可能使天基活動(dòng)更容易。

由于發(fā)射系統(tǒng)提供了進(jìn)入空間的基礎(chǔ)設(shè)施，這些系統(tǒng)的效率對于降低天基系統(tǒng)的成本至關(guān)重要。這些系統(tǒng)的核心則是液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)——廣泛應(yīng)用于大多數(shù)運(yùn)載火箭的應(yīng)用中。通過在更現(xiàn)代的火箭發(fā)射系統(tǒng)中使用AM技術(shù)可以更好的利用復(fù)雜的系統(tǒng)從而提高系統(tǒng)性能。非官方報(bào)告顯示，正在開發(fā)的SpaceX Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)包含高達(dá)40%的AM制造部件，空間發(fā)射系統(tǒng)被證明是AM制造部件的主要應(yīng)用之一。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的噴射器系統(tǒng)通常由數(shù)百個(gè)單獨(dú)制造的部件組成，然后釬焊或焊接成單個(gè)噴射頭（圖6）。通過傳統(tǒng)制造技術(shù)制造這些噴射器組件通常耗時(shí)且昂貴。但AM技術(shù)可以用來大幅度降低制造這些部件所需的成本和時(shí)間。阿麗亞娜6號(hào)定于2020年發(fā)射，是阿麗亞娜集團(tuán)生產(chǎn)的最新火箭，作為其RAMS(Reliabilit可靠性、y,Availability可用性、Maintainability 可維護(hù)性和Safety安全性)準(zhǔn)則的一部分，他們正在尋找創(chuàng)新方案。為了在阿麗亞娜5的基礎(chǔ)上再降低40-50%的生產(chǎn)成本以及提升性能，整個(gè)項(xiàng)目采用了AM技術(shù)。該噴射器芯在超快速四激光器增材制造系統(tǒng) （EOS M400–4）上利用 Inconel 718生產(chǎn)，可快速縮短生產(chǎn)時(shí)間。

▲圖6 阿麗亞娜6號(hào)火箭的注射器芯

哥本哈根亞軌道公司是一家完全眾籌的非營利航天公司，一直在評估將AM組件應(yīng)用到生產(chǎn)流程中以降低成本的可行性。他們最新的AM案例研究——同軸渦流注射器的渦流器，是使用瑞典工業(yè)3D打印機(jī)制造商Digital Metal公司專有的粘合劑噴射（binder jetting ）金屬增材制造技術(shù)制造的。無獨(dú)有偶，德國航空航天中心完成的一個(gè)項(xiàng)目也涉及航空航天領(lǐng)域的同軸注射器應(yīng)用。該項(xiàng)目基于小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭(SSLV)計(jì)劃，旨在降低小型衛(wèi)星生產(chǎn)商的軌道成本。在使用LPBF技術(shù)制造后，該注射器成功通過測試，顯示出良好的性能特征，并為德國航天中心的進(jìn)一步開發(fā)鋪平了道路。美國國家航空航天局還展示并報(bào)告了數(shù)百次液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中各種燃料的成功噴射器熱點(diǎn)火試驗(yàn)。

在NASA位于阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center-MSFC)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的AM應(yīng)用正在進(jìn)行大量的研發(fā)。美國宇航局與Stratasys Direct Manufacturing公司合作，利用LPBF技術(shù)開發(fā)并測試了一種注射器系統(tǒng)。該注射器由Inconel 625制成，具有獨(dú)特的流動(dòng)性，只有通過AM技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。然后，MSFC繼續(xù)制造和測試由75%的AM組件組成的演示火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。自2010年以來，NASA已經(jīng)開發(fā)并測試了無數(shù)AM組件，例如銅合金(GRCop-42和GRCop-84)燃燒室、液氫和液氧燃料泵、J-2X上的維護(hù)端口蓋以及帶有一體式pogo z擋板的pogo蓄能器組件(圖7)。其中一些部件將分別安裝在即將面世的空間發(fā)射系統(tǒng)下的RS-25液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上。

▲圖7 RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)上的pogo z擋板

美國火箭和導(dǎo)彈推進(jìn)制造商Aerojet Rocketdyne也一直在評估AM在他們新的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)AR-1系列中的應(yīng)用。AR-1旨在取代目前使用的俄羅斯制造的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，其預(yù)燃室采用AM方法。預(yù)燃室由Mondaloy——一種專有的耐燃鎳基高溫合金制造的，可以不再使用目前RD-180等富氧發(fā)動(dòng)機(jī)上普遍使用的復(fù)雜金屬涂層工藝。這不是Aerojet Rocketdyne使用AM技術(shù)制造和測試的第一個(gè)組件。早在2017年，該航天公司使用AM為其RL-10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造并測試了一個(gè)銅燃燒室，并制定了AM在空間應(yīng)用中的重要標(biāo)準(zhǔn)。

阿麗亞娜（Arianne）集團(tuán)最近制造并完成了全尺寸演示火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱火試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)集成了AM制造的部件，采用了LPBF制造的噴頭和燃燒室，分別使用鎳基合金和不銹鋼材料。作為阿麗亞娜6號(hào)開發(fā)計(jì)劃的一部分，這些新的AM制造部件將于2022年搭載阿麗亞娜新一代火箭。

AM應(yīng)用有時(shí)受限于基于L-PBF的機(jī)器的構(gòu)建面積限制，這些機(jī)器只能生產(chǎn)最大構(gòu)建體積的部件(單激光商業(yè)系統(tǒng)通常為300–600立方毫米，盡管更大的系統(tǒng)正在開發(fā)中)。在常規(guī)制造條件下建造的火箭燃料箱和飛機(jī)機(jī)身通常采用稱為等網(wǎng)格薄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（稱為 Isogrid）分多部分進(jìn)行制造，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)，因?yàn)檎麄�(gè)等網(wǎng)格設(shè)計(jì)通常使用銑削技術(shù)從較厚的原材料板上加工而成。由于原材料的高度浪費(fèi)和大型火箭機(jī)身所需的長鉛板原材料，這導(dǎo)致了該部件極其昂貴。

由于直接能量沉積技術(shù)(DED)不受尺寸的限制，較大的液體燃料火箭部件已經(jīng)開始逐漸使用此技術(shù)。一個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域是使用DED制造整個(gè)燃料箱。使用DED技術(shù)，有可能將整個(gè)火箭燃料箱印刷成單件或少得多的個(gè)件，材料浪費(fèi)明顯減少，所需工具也少得多，從而大大降低這些部件的成本。LockheedMartin公司最近為使用EB-DED(電子束直接能量沉積)建造的衛(wèi)星燃料箱開發(fā)并測試了一種鈦圓頂。直徑為1.16米的圓頂用作目前正在生產(chǎn)的LM 2100衛(wèi)星平臺(tái)上的可變尺寸油箱的蓋子。使用這些制造技術(shù)，該公司節(jié)省了寶貴的生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)顯著減少了材料浪費(fèi)。美國一航空航天公司——RelativitySpace公司計(jì)劃使用一種專有合金的AM技術(shù)制造他們的整個(gè)Terran 1號(hào)火箭 (圖8)。值得注意的是，該公司計(jì)劃使用AW-DED建造直徑為2米的兩用燃料箱和機(jī)身，大大減少了材料浪費(fèi)，并展示和地面測試了探路裝置。由于使用這些方法生產(chǎn)的部件在理論上沒有高度限制，因此該部件的整個(gè)燃料箱可能超過10米高。

SpaceX在他們的獵鷹9號(hào)（Falcon 9）火箭上成功開發(fā)并發(fā)射了一個(gè)AM制造的主氧化劑閥后，繼續(xù)開發(fā)用于他們的Dragon V2飛船的SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)系列。SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)用于任務(wù)關(guān)鍵的發(fā)射逃生系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在當(dāng)飛船發(fā)射過程中發(fā)生緊急情況時(shí)，將宇航員運(yùn)送到安全的地方。該系統(tǒng)采用Inconel合金制成的AM發(fā)動(dòng)機(jī)艙，是載人宇宙飛船上重要AM部件的最早應(yīng)用之一，載人宇宙飛船在Demo-2和 Crew-1 號(hào)任務(wù)中兩次成功地將宇航員送入國際空間站。圖9展示了組裝好的Superdraco火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和在熱火試驗(yàn)中測試臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲圖9 SpaceX應(yīng)用AM的Superdraco發(fā)動(dòng)機(jī)

使用AM技術(shù)制造主要發(fā)動(dòng)機(jī)部件已經(jīng)在總部位于加州的航空航天公司RocketLab得到了大規(guī)模應(yīng)用。該公司是一家小型衛(wèi)星發(fā)射提供商，自2013年以來，一直使用AM技術(shù)制造Rutherford火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的所有主要部件。其特點(diǎn)是燃燒室、注射器、泵和主推進(jìn)劑閥以及其他部件都是使用電子束粉末床融合 (EB-PBF) 技術(shù)制造的，迄今為止已經(jīng)進(jìn)行了18次測試、制造和發(fā)射。

燃燒室、噴嘴和噴射器組件通常使用多種材料和成千上萬個(gè)部件制造，最近在單件組件的AM應(yīng)用中備受“寵愛”。其中一個(gè)例子是Relativity Space公司制造的Aeon1號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。即將在上文提到的 Terran1號(hào)運(yùn)載火箭上發(fā)射，其特點(diǎn)是噴射器、點(diǎn)火器、燃燒室和噴嘴都是使用AM技術(shù)作為一個(gè)單一部件制造的。另一家總部設(shè)在紐約的發(fā)射公司，計(jì)劃使用主要由AM制造的部件制造小型衛(wèi)星發(fā)射器類中性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。他們的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“E-2”將是最大的單部件燃燒室、噴射器和噴嘴組件，全部采用L-PBF技術(shù)，由C18150(銅-鉻-鋯)合金制成

最近，美國宇航局一直在使用各種AM方法開發(fā)液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的新材料和應(yīng)用領(lǐng)域。這方面的突出例子是在美國航天局快速分析和制造推進(jìn)(Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion-RAMPT)項(xiàng)目和空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)項(xiàng)目下的評估新材料的項(xiàng)目，分別是在美國航天局格倫研究中心(Glenn Research Center-GRC)和美國航天局MSFC開發(fā)的GRCop-42和美國航天局HR-1。圖10 GRCop系列銅鉻鈮合金和鐵鎳NASA HR-1超級(jí)合金主要是為使用AM的火箭燃燒室和噴管應(yīng)用而開發(fā)的。

▲圖10 左：使用L-PBF GRCop-42的雙金屬7k耦合室，帶有HR-1 DED集成噴嘴中：配有歧管右：使用L-PBF GRCop-42襯里和HR-1 DED夾套建造的雙金屬40k室

美國航天局還展示了大規(guī)模分布式發(fā)電的許多應(yīng)用，特別是低壓分布式發(fā)電。美國宇航局的重點(diǎn)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如大型通道壁噴嘴和動(dòng)力頭部件。該噴嘴具有與燃燒室相似的設(shè)計(jì)，并結(jié)合了精細(xì)的特色通道，以消除組裝過程中經(jīng)常涉及的釬焊接頭和大量需要的工具。美國宇航局MSFC和工業(yè)伙伴最近展示了一個(gè)65%比例的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)整體通道LP-DED噴嘴，直徑1.52米，高度1.78米。之前的噴嘴還在較小的規(guī)模上展示了低壓-直流一體化通道特征，并完成了幾次高占空比的熱火試驗(yàn)。噴嘴證明了在全尺寸設(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)制造噴嘴的零件數(shù)量從1100多個(gè)減少到少于10個(gè)部件的潛力。其他組件已使用DED技術(shù)進(jìn)行了演示，包括各種大型歧管和復(fù)雜組件，如RS-25動(dòng)力頭半殼。這些部件很多使用鍛件或鑄件制造，具有大量的機(jī)械加工操作，并且通過使用DED的短沉積時(shí)間顯示出顯著的成本和進(jìn)度節(jié)約（圖11）。

▲圖11 美國國家航空航天局大規(guī)模DED的例子。A：直徑為60英寸(1.52米)高度為70英寸(1.78米)的LP-DED整體通道噴管，美國宇航局在90天內(nèi)沉積HR-1合金 B：使用因科鎳合金718的動(dòng)力頭半殼，以及C：規(guī)模為RS-25的LP-DED JBK-75噴管(無通道)。

最近，在火箭噴管部件中使用AM和晶格結(jié)構(gòu)已被大量研究。推力室組件承受各種綜合機(jī)械、熱力和綜合環(huán)境載荷，這給優(yōu)化帶來了困難。Cellcore和SLM Solutions之間的合作產(chǎn)生了一種利用L-PBF的綜合推力室設(shè)計(jì)，以展示其在航空航天工業(yè)中的潛在應(yīng)用。如圖12所示，推力室在其壁上有一個(gè)結(jié)構(gòu)晶格，也可作為發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻夾層。這款一體式引擎僅用了三天多的時(shí)間就在一臺(tái)SLM 280打印機(jī)上生產(chǎn)出來了。因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)使用了 Inconel 718，這是一種特別難加工的材料，并且很難后處理，這種生產(chǎn)方法就最大程度地避免了昂貴的工具磨損，節(jié)省了相當(dāng)多成本，同時(shí)產(chǎn)生了一種極其輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)還采用了完全集成的噴射器，進(jìn)一步減少了最終火箭設(shè)計(jì)的零件總數(shù)、降低了復(fù)雜性。雖然該設(shè)計(jì)展示了多個(gè)部件潛在集成的示例，但必須在完整的環(huán)境中很好地理解整體負(fù)載，以納入拓?fù)鋬?yōu)化和整個(gè)AM過程。

▲圖12 Cellcore生產(chǎn)的有內(nèi)部冷卻通道地噴嘴

由于大多數(shù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻通道的復(fù)雜性，熱力優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。類似于TO的人工智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)者Hyperganic使用自上而下的方法演示了概念火箭噴管的優(yōu)化應(yīng)用，將燃燒室、噴管和冷卻通道等幾個(gè)部件集成到一個(gè)單獨(dú)的部件中，噴嘴使用金屬AM技術(shù)印刷。圖13這一原型設(shè)計(jì)是在EOS M400-4打印機(jī)上由Inconel 718制造的。噴嘴的外表面采用回轉(zhuǎn)式最小表面晶格設(shè)計(jì)。這些晶格結(jié)構(gòu)在自然界中是存在的，并且通常是自支撐的，在其表面上的任何點(diǎn)都具有零平均曲率的特征，使得應(yīng)力在結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布更加均勻。這些例子展示了一些潛力，但這些設(shè)計(jì)仍未在飛行部件中廣泛測試或采用，目前仍處于設(shè)計(jì)和概念驗(yàn)證階段。

▲圖14 Hyperganic設(shè)計(jì)的既有內(nèi)部冷卻也有外部晶格的噴嘴

總結(jié)：通過二a和b部分的分析，我們了解了四大類航天AM應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)金屬增材制造技術(shù)（AM）的許多應(yīng)用幾乎存在于整個(gè)航空航天工業(yè)中。

文章來源：Metal additive manufacturing in aerospace: A review,Material and Design,Elsevier
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008
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