上�？臻g推進研究所等 l 增材制造技術在空間推進領域的應用

來源：中國航天

摘 要: 在空間推進領域，采用增材制造技術可以實現(xiàn)一體化成型，提升模塊化和集成化程度，在制備結(jié)構復雜、昂貴的構件方面具有明顯的優(yōu)勢。目前國內(nèi)外主要航天機構正在積極開展增材制造技術在空間推進系統(tǒng)的應用。常用的增材制造技術包括激光選區(qū)熔化技術、定向能量沉積技術、電子束熔化成型技術和立體光固化成型技術等。本文主要介紹在空間推進領域通過增材制造技術制備的各類構件，包括推力室噴注器、再生冷卻身部、陽極和貯箱等。同時，總結(jié)了增材制造在這些應用中的技術優(yōu)勢，探討了其在空間推進領域應用的挑戰(zhàn)和潛在機遇。

伴隨著深空探測、載人登月、衛(wèi)星組網(wǎng)等空間活動的迅速發(fā)展，世界主要航天大國都加快了航天器的研制進程。作為航天器的核心構件，空間推進系統(tǒng)在姿態(tài)調(diào)節(jié)、軌道控制等方面起到至關重要的作用，其發(fā)展方向為長壽命、輕量化、可重復使用、快速響應迭代及定制化。近年來，增材制造技術取得顯著進步和廣泛應用，尤其在提升空間推進系統(tǒng)輕量化、一體化和模塊化水平方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。本文詳細介紹了增材制造技術在空間推進系統(tǒng)各組成部分的應用，包括液體火箭發(fā)動機推力室和貯箱、電推力器陽極部件和陶瓷組件等，并總結(jié)了增材制造技術在空間推進領域應用過程中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

一、增材制造技術
增材制造技術是通過計算機控制方法，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)鑄造和機加工等方法，增材制造技術可用于快速制造復雜幾何形狀的構件，并可用于金屬、陶瓷、聚合物、復合材料和生物材料等多種材料。在空間推進系統(tǒng)中應用較廣的有激光選區(qū)熔化技術（SLM）、定向能量沉積技術（DED）、電子束熔化成型技術（EBM）、熔融沉積技術（FDM）和立體光固化成型技術（SLA）等，如圖1所示。

圖1 增材制造技術分類

與傳統(tǒng)鑄造、鍛壓和機械加工等方式相比，增材制造技術具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成型精度高及設計自由度高等優(yōu)勢。但是增材制造加工過程中會產(chǎn)生元素燒損，并且熱應力較高，很容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。伴隨著增材制造在各個行業(yè)的推廣應用，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，美國休斯研究實驗室（HRL）通過SLA技術制備的SiOC陶瓷可以承受1700℃的高溫（見圖2（c））。

圖2 適用于增材制造的新材料

二、增材制造技術在空間推進領域的典型應用

空間推進系統(tǒng)是將化學能、電能、太陽能和核能等轉(zhuǎn)化為噴射動能的技術，主要用于各類航天器軌道控制、姿態(tài)調(diào)整等。隨著衛(wèi)星快速組網(wǎng)、遠地小行星探測的需求不斷增多，空間探測進入快速發(fā)展時期，這對航天器尤其是空間推進系統(tǒng)的響應速度、經(jīng)濟性和可持續(xù)性提出了更高的要求。
雖然輕量化設計概念存在于諸多行業(yè)中，但在空間推進領域尤其重要，減少結(jié)構質(zhì)量不僅可以提高有效載荷，而且針對旋轉(zhuǎn)部件，還可以減少轉(zhuǎn)動慣量，從而降低啟動扭矩、制動扭矩和轉(zhuǎn)動部件與軸之間的相互作用力矩等。目前太空探索任務成本已達到20000歐元/kg，減少結(jié)構載荷可以降低發(fā)射成本。

（一）國外現(xiàn)狀

1.美國
早在2013年，美國就已開發(fā)出AMPS-H微型推進系統(tǒng)，將貯箱和燃燒室集成在一起，實現(xiàn)一體化成型，并在普羅維登斯推進實驗室對發(fā)動機進行液流測試和持續(xù)16s的點火測試。同年，美國高校通過增材制造技術制備出立方星的電子設備，極大提升了研制效率。
NASA最早于2015年進行面向增材制造的立方星的組件設計，洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）分別設計了活塞罐和球形罐。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SLM方法制備了純鎢的具有復雜結(jié)構的推力器部件和細小的晶格結(jié)構，并可承受2300℃的高溫。
賓夕法尼亞大學Lunar Lion團隊將增材制造方法用于月面著陸系統(tǒng)中雙元發(fā)動機姿態(tài)控制系統(tǒng)的“鉛筆”推力器開發(fā)中。如圖3所示，傳統(tǒng)推力器由12個單獨零件組成，通過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燃混合物�；�于增材制造方法將“鉛筆”推力器簡化為三部分，并且充分考慮了支撐數(shù)量、成型方向等因素。經(jīng)驗證，加工時間縮短超過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)設計方案和增材制造改進方案

得克薩斯大學奧斯汀分校的得克薩斯航天器實驗室開發(fā)了一種低溫氣體推力器，包含增材制造技術制備的推進劑管道、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。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，并使用316不銹鋼增材制造陽極，通過選擇性激光熔化生產(chǎn)，其設計比傳統(tǒng)技術更復雜。陽極設計顯著影響推進劑分布，因此更復雜的增材制造制備的設備可以比傳統(tǒng)制造更均勻地定制推進劑分布。Romei等人通過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)測試，推力為(9.7±0.025)~(29.8±0.025)mN，最大比沖測量值為(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)加工工藝中開模所需時間較長的問題。作為首個實現(xiàn)碘工質(zhì)電推力器在軌工作的公司，ThrustMe公司對增材制造陶瓷材料進行了充分的評估，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（見圖5）。麻省理工學院的研究人員開發(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工藝制造而成，可釋放出純凈的離子流，比同類電噴推力器擁有更高的比沖，用于微型衛(wèi)星的動力系統(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 通過增材制造制備的納米電噴推力器

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


Aerojet Rocketdyne公司將增材制造與推力可擴展的自流式MON-25推進技術相結(jié)合，將多個推力器集成到一個模塊的反作用控制系統(tǒng)中，如圖7所示，RC-120是基于ISE-100推力器改進的適合增材制造的型號，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)動機推力室采用了增材制造技術制備的鎳基高溫合金構件，大幅降低成本的同時，提高了一體化程度，縮短了研制周期。2023年，NASA在RAMFIRE項目中與Elemntum 3D公司合作，采用A6061-RAM2材料，通過增材制造方法成功制備并測試了新型鋁合金火箭發(fā)動機噴管（見圖8），累計運行近10min，實驗結(jié)果表明其可以承受月面著陸器規(guī)模發(fā)動機的熱、結(jié)構和壓力負載。

圖8 通過增材制造技術制備的鋁合金火箭發(fā)動機噴管試車測試

2.其他國家或地區(qū)

歐空局與澳大利亞Monash大學聯(lián)合開展輕質(zhì)小推力火箭發(fā)動機的研制工作，如圖9所示，發(fā)動機身部帶有隨形冷卻夾心結(jié)構，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)構質(zhì)量。歐洲探索公司與阿聯(lián)酋LEAP71公司于2023年開始在空間發(fā)動機領域展開合作，利用計算工程模型，通過自適應邊界條件和參數(shù)（推進劑類型、推力等），進行創(chuàng)成式設計，并通過迭代優(yōu)化，快速得到發(fā)動機原型，如圖10所示。

圖9 火箭發(fā)動機身部隨形夾層結(jié)構

圖10 LEAP71采用增材制造設計的發(fā)動機截面

（二）我國現(xiàn)狀

目前空間推進系統(tǒng)主要采用冷氣推進、化學推進和電推進等方式，其中化學推進可分為單組元和雙組元。近年來，遠地小行星探測等空間任務持續(xù)推進，對發(fā)動機的長壽命和可靠性提出了更高的要求，上海空間推進研究所先后進行了5000N、15000N和20000N火箭發(fā)動機再生冷卻身部的攻關工作，圖11為5000N發(fā)動機再生冷卻身部實物及試車照片。圖12為15000N火箭發(fā)動機實物及點火試車圖片，經(jīng)地面熱試車和高空模擬熱試車驗證，單次連續(xù)最長工作時間達到100s，真空比沖為315.3s，達到相同系統(tǒng)參數(shù)下國際先進水平。如圖13所示，20000N液氧甲烷軌控發(fā)動機采用增材制造技術制備了一體化推力室，并完成多次熱試車考核，真空比沖達到3560Ns/kg。

圖11 5000N再生冷卻身部結(jié)構及試車試驗圖片

圖12 15000N發(fā)動機再生冷卻身部結(jié)構及地面點火試驗圖片

圖13 增材制造一體化20000N液氧甲烷發(fā)動機試車

在電推力器方面，上�？臻g推進研究所通過SLM技術成功制備了80mN電推力器陽極，并進行了氙氣工質(zhì)試車考核，累計點火6h55min，推力符合設計要求，如圖14所示。

圖14 陽極部件及點火試車

星河動力（北京）空間科技有限公司研制的“谷神星”一號商業(yè)運載火箭中，四級采用了增材制造的軌控發(fā)動機，如圖15所示，為我國首次完全采用增材制造方案的軌控發(fā)動機。

圖15 “谷神星”一號四級軌控發(fā)動機

三、結(jié)束語

在空間推進領域，增材制造面臨諸多挑戰(zhàn)，主要有以下幾個方面：
（1）增材制造技術制備的構件與傳統(tǒng)鑄、鍛、機加工的構件在內(nèi)部組織和力學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展成為宏觀裂紋。目前的CT和X射線檢測精度有限，而且受限于結(jié)構尺寸，亟須開發(fā)更適用于增材制造構件內(nèi)部缺陷檢測的設備和技術。空間推進領域構件經(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)生疲勞失效的風險較大。

（2）空間推進領域尤其是噴注器等關重件對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，更需要開發(fā)合適的后處理方法（化銑、電化學拋光、磨粒流等），才能更有效地運用增材制造技術。

（3）增材制造在減重方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，尤其是復雜的點陣結(jié)構可以通過增材制造方法成型，但是空間推進系統(tǒng)需要經(jīng)受振動、沖擊、高低溫等復雜的熱/力環(huán)境，點陣結(jié)構缺少相關的試驗數(shù)據(jù)。此外，由于點陣結(jié)構尺寸較小，仿真計算工作量較大，精度較低，需要進行合理的數(shù)據(jù)處理并配合驗證手段，提高增材制造點陣結(jié)構在空間推進系統(tǒng)應用的可靠性。

近年來，空間推進系統(tǒng)對可重復使用、輕量化及長時間服役等方面提出了更高的要求，增材制造技術在一體化、模塊化和輕量化等方面的優(yōu)勢使其在空間推進領域的應用中迎來了新機遇。

（1）空間推進系統(tǒng)中的復雜構件越來越多地采用增材制造技術，在保證使用性能的同時，降低結(jié)構質(zhì)量，縮小體積，并且極大提高了研制效率。此外，增材制造技術也為結(jié)構功能一體設計和制造提供了更大的自由度，可以通過結(jié)構及材料的優(yōu)化設計提高能量吸收、傳熱及承載能力。

（2）空間推進領域的部分構件需要較高的高溫強度、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，在陶瓷等新材料的制備方面具備較大潛力。

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

作者簡介
楊旭東1  周俊1  焦自賢1  徐鑫2  謝屹2
1.上海空間推進研究所；2.上�？臻g發(fā)動機工程技術研究中心