透過SpaceX 3D打印火箭發(fā)動機深度剖析3D打印前景

目前，在所有將3D打印技術用于航天器制造的機構或企業(yè)中，除了美國航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、SpaceX這樣實力雄厚的公司，還有就是初創(chuàng)企業(yè)Rocket Lab（RL），據(jù)南極熊了解，2017年1月14日當?shù)貢r間，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發(fā)射了一枚獵鷹9號火箭，終于一掃去年發(fā)射塔上火箭爆炸的陰影，大家可能指導SpaceX是首次完成了火箭回收的企業(yè)。

獵鷹9號火箭上含有大量的3D打印零件，包括關鍵的氧化劑閥體，3D打印的閥體成功操作了高壓液態(tài)氧在高震動情況下的正常運行。接下來就SpaceX發(fā)射的獵鷹9號火箭上的3D打印技術，結合與美國宇航局NASA合作的另外幾家航天泰斗馬歇爾太空飛行中心，Aerojet Rocketdyne，以及Rocket Lab在3D打印火箭發(fā)動機方面的計劃來透視3D打印在這一領域的前景。

圖片：SpaceX 3D打印的氧化劑閥體

與傳統(tǒng)鑄造件相比，3D打印閥體具有優(yōu)異的強度、延展性和抗斷裂性。并且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D打印閥體在兩天內(nèi)就完成了。

設計是個快速迭代的過程，這為SpaceX搶占時間和快速優(yōu)化設計提供了極佳的便利條件。3D科學谷了解到經(jīng)過后加工處理的3D打印閥體經(jīng)過廣泛的測試程序–包括嚴格的發(fā)動機點火系列、部件級資格測試和材料測試才被納入獵鷹9號火箭的標準零件。

除了獵鷹9號火箭，SpaceX于2013年就成功通過EOS金屬3D打印機制造SuperDraco火箭發(fā)動機引擎室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統(tǒng)的發(fā)動機制造技術相比，使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發(fā)動機的交貨期和并降低制造成本，而相比傳統(tǒng)制造發(fā)動機的成本，而且可以實現(xiàn)“材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優(yōu)良屬性。這是一種非常復雜的發(fā)動機，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)都很難制造。EOS能夠打印非常高強度的先進合金,是創(chuàng)造SuperDraco發(fā)動機的關鍵。

3D打印使得有爭議的月球快車任務成為可能，而總部位于加利福尼亞的商業(yè)航空公司月球快車，準備在2017年發(fā)送他們的火箭到月球上實現(xiàn)此類計劃。月球快車使用的3D打印引擎是由總部設在洛杉磯的Rocket Lab-火箭實驗室提供的。

引擎的關鍵部件是由瑞典Arcam（Arcam已被GE收購）的設備制造出來的，據(jù)悉，5000磅重的盧瑟福引擎的關鍵部件幾乎全部由3D打印完成，發(fā)動機依賴于電力推進循環(huán)。推力室、閥門客體、噴嘴、渦輪泵都是通過Arcam的電子束熔化鈦合金打印技術。鋰聚合物電池被用來驅(qū)動無刷直流電動機，然后將液態(tài)氧和煤油送到燃燒室。

Rocket Lab相信他們可以降低發(fā)射成本，平均每發(fā)射為490萬美元。這與2億2500萬美元的發(fā)射行情比起來便宜了相當大的部分，而SpaceX公司6200萬元的收費，已被認為是極大的減少了航天費用。

AR1火箭發(fā)動機的單沖量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D打印機制造的。AR1是一款正在開發(fā)中的50萬磅推力級的液氧/煤油發(fā)動機，美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發(fā)動機。根據(jù)2015年美國國防授權法案的要求，為了美國國家安全的考慮。到2019年之前美國制造的替代產(chǎn)品要完全取代俄羅斯的RD-180發(fā)動機，并可用于火箭發(fā)射。

噴射器是用選擇性激光熔化（SLM）技術制造的，3D打印被證明能夠以與傳統(tǒng)制造技術相比很低的成本快速制造出復雜的發(fā)動機零部件。僅在主噴射器一項，3D打印就把零部件的交貨時間減少了9個月，并降低了70%的成本。

NASA馬歇爾太空飛行中心

美國航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心承擔了許多著名的外太空探索任務，馬歇爾太空飛行中心已經(jīng)參與了20多年的增材制造技術實踐，該飛行中心已經(jīng)安裝和使用了5年多Concept Laser （Concept Laser已被GE收購）的設備。

圖：開發(fā)推進裝置的增材制造并行路徑

NASA與2012年啟動了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造驗證機的計劃，據(jù)悉，原因是因為NASA認為3D打印在制造液態(tài)氫火箭發(fā)動機方面頗具潛力。在3年內(nèi)，團隊通過增材制造出100多個零件,并設計了一個可以通過3D打印來完成的發(fā)動機原型。而通過3D打印，零件的數(shù)量可以減少80%，并且僅僅需要30處焊接。

圖：3D打印的發(fā)動機部件減少大量零件

在3年的探索中，總共花費了1000萬美金，用到的人員數(shù)量僅相當于過去20-25%的投入。當然，NASA對增材制造的重視不僅僅來自于經(jīng)費和人員的節(jié)約，增材制造使得設計迭代變得十分快速，NASA用Concurrent(同時迭代）來描述這一變化。

之前，NASA遇到過通過傳統(tǒng)方法制造的軸與輪轂不合格的情況，如果按照傳統(tǒng)方式來返工是不可能的，而通過3D打印在2個月內(nèi)就完成了新的設計迭代。 不僅減少零件數(shù)量，加快迭代速度，3D打印還使得零件的性能提升，這使得最終的發(fā)動機產(chǎn)品更加緊湊和高效。

來源：3d科學谷

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