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“星舰”升空后爆炸解体:航天创新从来不易,3D打印扮演重要角色

国际金属加工网 2023年06月08日

北京时间4月20日晚21点33分,SpaceX(美国太空探索技术公司)的大型星际飞船和超重型火箭从德克萨斯州博卡奇卡的发射场“星际基地”(Starbase)发射升空。33台“猛禽”发动机交错启动,超过1000万磅(约4536吨)的推进剂被陆续推入,火箭似乎成功地进行了第一次试飞,直到五个发动机在升空后几秒钟发生故障。在飞船和助推器分离之前,飞船开始快速旋转,SpaceX通过飞行终止系统在飞行途中摧毁了飞船。

2023年展会期间

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TCT Asia 2023

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9月12日 09:00 - 17:30

9月13日 09:00 - 17:30

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国家会展中心(上海)4.1馆

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尽管计划外的拆卸有点令人失望,但SpaceX表示“星舰”(Starship)在第一次试飞中达到了重要的里程碑,团队将继续审查数据并为“星舰”的下一次飞行测试而努力。

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*“成功来自于我们从中所学到的东西。今天的测试将帮助我们提高“星舰”的可靠性,以助SpaceX实现使人类生命能成为星际生命的目标。”

SpaceX创始人马斯克曾在2007年表示,他的目标是最终能让人类探索并殖民火星。“星舰”的使命是能够一次性运送100人进行星际旅行,其短期目标是进行月球载人发射与返回,长期目标是在火星上建立一个100万人的城市,而“星舰”将是往返地球和火星之间的运载工具。

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与许多其他运载火箭一样,“星舰”也拥有大量3D打印部件。自2018年底在博卡奇卡(Boca Chica)开始建造第一批原型以来,增材制造显然将在其制造过程中发挥广泛的作用。

马斯克曾多次谈到SpaceX在星际飞船的设计和生产中使用到3D打印技术。他表示,SpaceX的目标是将3D打印技术尽可能多地应用于星际飞船的部件生产,包括发动机和机身。SpaceX已经3D打印了多款发动机部件,例如燃烧室和喷嘴延伸件,以及整个航天器中的各种支架、配件和其他元件。该公司还投入巨资开发新的3D打印技术和材料,旨在进一步提高其制造过程的速度、质量和性能。

为了加快生产速度和提高设计灵活性,“星舰”上的部件使用一系列3D打印技术生产,包括直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化(EBM)。总的来说,3D打印一直是SpaceX能够快速制作原型和迭代星际飞船设计,以及生产高精度和高性能零件的关键因素。

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作为在航空航天工业中使用增材制造的先驱,SpaceX一直在广泛利用该技术为其火箭和航天器制造零件,尤其是那些使用传统方法难以或无法制造的零件。举例来说:

发动机部件:SpaceX设计制造的SuperDraco自燃推进剂火箭发动机采用了EBM工艺制造钛发动机舱。还采用立体光刻(SLA)生产小型高精度零件,如发动机点火器外壳。此外,也采用选择性激光熔化(SLM)制造“猛禽”的涡轮泵外壳。

燃料系统组件:SpaceX为其火箭发动机提供3D打印的燃料系统组件,如燃料歧管。

隔热罩:为了将宇航员运送到国际空间站(ISS),SpaceX建造了带有3D打印隔热罩的Crew Dragon航天器,以在重返地球大气层时保护太空舱及舱内人员。

阀门和配件:SpaceX拥有用于其火箭和航天器的3D打印阀门和配件,以控制推进剂流量与其他流体。

有效载荷整流罩:另一个例子是有效载荷整流罩的3D打印组件,可在发射期间保护卫星及其他有效载荷。

网格鳍:用于猎鹰9号和猎鹰重型火箭第一级的网格鳍也采用了增材制造。这些部件有助于引导火箭下降返回地球。

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SpaceX星际飞船助推器的底部及其所有引擎都清晰可见。

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3D打印能够生产复杂、高性能的火箭和航天器部件,这对SpaceX大有裨益。在过去的几十年里,SpaceX一直与几个3D打印品牌合作为其火箭制造零件,其中就有EOS、Concept Laser(GE公司)、Velo3D、SLM Solutions和3D Systems

虽然SpaceX未能完成首飞目标,但“星舰”技术指标的确刷新了航天器的运载指标纪录,未来有望为航天发射事业提供更多可能。其中,3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道,已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术。虽然起步晚于国外,但国内商业航天业发展势头迅猛。

2022年5月,凌空天行“TXI”系列火箭完成了第9次发射,火箭将某载荷精准投送到了任务窗口,任务获得圆满成功。金属3D打印上市企业铂力特(TCT亚洲展:H31)为此次任务打印了火箭电控舱圆柱段壳体、电气舱锥段壳体、尾段壳体三个零件。零件均为回转体,分布较多凸台、筋条、窗口,且零件成形尺寸大,质量要求高。由于航天零件服役要求严苛,结构复杂,需要零件一体化程度高,综合考虑后选用BLT-S800对其零件进行生产制造。

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凌空天行“TXI”系列火箭

2022年7月, 由九州云箭出品的龙云液氧甲烷发动机完成了系列可靠性热试车考核。该项目的旋转机械、燃烧装置以及发动机管路等零部件也由铂力特(展位号:H31)为其打印制造。其中旋转机械零件在制造过程中控形难度高、零件局部结构后处理工艺难度较大;燃烧装置结构则较为复杂,强度要求高,且零件需要在高温或低温条件下工作;发动机管路突破了原有的设计边界,更加轻量化,旨在提高整机工作可靠性。

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龙云液氧甲烷发动机可靠性热试车

2023年3月,星际荣耀百吨级液氧甲烷火箭发动机“JD-2”顺利完成两次真实介质下的半系统联合试验。该发动机的多个管路类和涡轮泵类零件均由3D打印技术完成制造。

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2023年4月2日16时48分,天龙二号运载火箭在我国酒泉卫星发射中心首飞,将搭载的“爱太空科学号”卫星顺利送入预定轨道,发射任务获得圆满成功。金属增材制造(3D打印)解决方案提供商飞而康科技(展位号:B56)承担了该型号火箭TH11闭式补燃循环发动机的部分结构3D打印任务。

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在该项目中,飞而康团队通过调校打印激光参数、稳定热处理工艺制度、优化磨粒流处理工艺等方法,突破了金属3D打印工艺的稳定性、一致性、重复性、控形控性等难点,解决了液发零件狭小流道、异形曲面、复杂结构的加工制造难题,实现零件质量上的精益求精。同时,通过热等静压(HIP)工艺,消除零件内部潜在的疏松、缩孔等细微缺陷,有效提高零件的冶金性能水平,保障了零件在恶劣工况下的使用可靠性和寿命。

回头看“星舰”首飞失败,航天创新永远是机遇与风险并存。纵观国内外,商业航天进入发展快车道,也将极大的刺激3D打印,尤其是金属3D打印技术的应用发展。金属增材制造技术一直是TCT亚洲展的最大看点,本届TCT亚洲展上囊括了国际知名金属增材制造解决方案提供商,包括:西门子、通快、EOS、3D Systems,以及国产领先品牌:铂力特、华曙高科、汉邦科技、易加三维、大族激光、中科煜宸、飞而康、 清研智束等公司。欢迎9月12-14日前往国家会展中心4.1馆,领略金属3D打印技术在军工航空航天的创新应用!

*部分内容来源于(暂不可见)

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