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中国民营航天星河动力将3D打印技术用于火箭发动机制造

国际金属加工网 2022年03月28日

2021年12月7日,谷神星一号商业运载火箭于酒泉卫星发射中心发射成功,星河动力(北京)空间科技有限公司(下称“星河动力航天”)成为了国内首家掌握500km一箭多星商业发射能力、首家实现连续发射成功的民营航天企业,该公司秉持“固液并举”发展战略,同步自主研制的中大型重复使用液体火箭智神星一号在两个月后也传来好消息——主动力装置苍穹50吨级液氧煤油发动机试车圆满成功,辅助动力系统300N、50N发动机单机地面热试车,这标志着该公司中大型重复使用液体运载火箭蓄势待发。

根据此前的公开信息,我们已经了解到星河动力公司已经开始使用3D打印技术,这是实现低成本和快速研制的重要因素。近期,3D打印技术参考专访了星河动力,公司研发团队首次向媒体介绍了这项技术的应用情况。

星河动力3D打印技术应用概况

星河动力可重复使用中大型液体运载火箭“智神星一号”主动力装置“苍穹”发动机内部的一些壳体类零组件的空间结构、叶片类零组件的叶型以及推力室类零组件的流道均较为复杂,使用传统的机加工艺方法难以实现,且加工周期较长、成本较高,3D打印存在明显的技术和工艺优势。借助于此,星河动力在该发动机中大量使用3D打印技术:涡轮泵3D打印件重量占比约65%,发生器3D打印件重量占比约75%,主管路90%为3D打印件,推力室3D打印部分占比约30%,阀门壳体类零件约90%均为3D打印制造。 

 “苍穹”40吨液氧/煤油发动机

星河动力小型运载火箭“谷神星一号”的四级——“边界”轨姿控动力系统,其中的集合环以及经进一步改进后的多机集合块也使用了3D打印技术,从而极大简化了管路接口,优化了机加过程。

2000N轨控发动机产品

在“边界”系列轨姿控动力系统设计之初就将3D打印方案纳入考虑,因为动力系统设计原则之一就是低成本、高效能,3D打印与动力系统的设计原则需要契合。与传统的设计思路相比,设计师不再一味追求结构简单、线条单一、易于加工的零件形式,而是以性能、强度、重量等为主要导向的优化结构,且要与3D打印成型具有良好的匹配性,因此对设计师也提出了更高的要求。通过该路径制造的产品,实现了轻量化、个性化、一体化、复杂化的总体性能提升。

然而,当前大部分设计师的设计经验主要来自传统机加,3D打印相比于传统机加在设计上需要额外考虑产品型面、弧度、角度、支撑以及打印方向等问题,初次接触3D打印的设计师设计的产品可能无法直接打印,需要反复几次,但熟练3D打印产品设计基本原则后,则能快速设计出传统机加难以加工的产品构型,与仿真软件相结合能够设计出质量轻、强度高、性能好的产品。

3D打印为星河动力火箭发动机制造解决了哪些实际问题

3D打印对总装导管的优势在于克服了大直径薄壁管路无法弯曲成型的难题,新工艺使管路变向处的壁厚与直管段壁厚一致,保证了装配的可靠性。3D打印对发动机总装的另一个优势是复杂内腔的加工,如采用3D打印的控制阀座内腔可以设置复杂的通道,减少了使用控制导管带来的系统复杂性。

涡轮泵的泵轮与蜗壳在设计之初,分别进行了简单型面的机加方案与复杂型面的3D打印方案设计,后者较前者效率提高约5%。另外,涡轮盘也同样采取了机加成型与3D打印成型两种方案,机加成型需要20~25天,3D打印仅需要3~4天,大大缩短了制造周期与成本。

涡轮泵零组件

涡轮泵水试件装配完成图


轨姿控动力系统的多机集合块,如果按照传统方案设计会增加大量工艺孔,这些工艺孔在内部流道加工完成后需要进行焊接封堵,工艺较为复杂,采用3D打印技术能够一次成型,只需在对接面留余量机加到设计公差即可满足使用要求,提升了加工的便利性,缩短了加工周期。

轨姿控动力系统试车

大推力液体火箭发动机推力室通常采用再生冷却的方式进行燃烧室热防护工作,其制造工艺过程都极其细致和复杂,整个制造过程通常都长达数月之久,生产过程中任何一个小小的失误,都可能导致整个推力室的报废,因此推力室的造价也非常高。

发动机运行动画

3D打印等增材制造技术使制造廉价版再生冷却推力室成为可能,国外航天企业和研究机构已经通过3D打印技术对整体制造再生冷却推力室甚至火箭发动机整机进行了验证性研究。通过对支持多种金属同时打印的增材制造技术的研究和实施,达到大推力液体火箭发动机再生冷却推力室复杂型腔集成设计和一体化制造,大幅缩短推力室制造周期,同时在一定程度上可以降低推力室的制造成本,优化性能并减重,提高推力室的可靠性和寿命。

在大规模使用3D打印技术的过程中,星河动力公司积极与3D打印业内品牌商合作,飞而康、钢研极光、铂力特、鑫精合等对零部件的结构优化以及零件制造均给予了很大帮助,星河动力希望能够借助这项技术使产品更轻、数量更少、强度更高、可靠性更好。未来,在“苍穹”液氧/煤油火箭发动机、“边界”轨姿控等复杂系统中,星河动力将更多的采用3D打印技术。

(3D打印技术参考)

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