一文洞悉商业航天火箭领域的3D打印进展

北京时间 5 月 31 日,SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心 39A 发射台成功发射,在全球观众的注视下,载着两名宇航员前往国际空间站。执行此次飞行任务的是两名资深宇航员鲍勃·本肯 (Bob Behnken)、道格·赫尔利 (Doug Hurley)。

而值得业界关注的是,猎鹰9号火箭和龙飞船2号大量使用了3D打印技术。正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的,3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。

这使得人们不仅好奇,3D打印在催生商业航天创业领域发挥了怎样的四两拨千斤的作用?国内外目前的进展怎样?

Video Cover_Rocket_Relativity 10亿C轮融资,90后掌舵的Relativity大踏步向前追求火箭梦

block 3D打印新技术催生设计与制造一体化的商业新生代

摩根士丹利(Morgan Stanley)估计,到 2040年,全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。

3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的,这体现在从设计到供应链和库存管理,再到质量控制等各个环节。

目前3D打印在火箭领域的应用集中在推力室的3D打印,发动机喷嘴头、整流罩,氧化剂阀体、泵等零件。其中,使用基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术时,冷却管道将直接作为设计中的一部分,并在同一生产过程中与整个腔体一起成型,这是3D打印推力室的魅力之处。

l 国际

除了老牌的航天企业,根据3D科学谷的市场观察,利用3D打印迅速获得竞争优势的创业企业包括伊隆·马斯克(Elon Musk)创建的Space X, 以及亚马逊CEO杰夫贝索斯创立的Blue Origin,可能是该产业最大的参与者之一。除此之外,还有起步较晚的Launcher、Relativity Space、Rocket Lab、Tri-D Dynamics等初创公司。

Relativity Space
Relativity Space是一家非常年轻的公司,从Blue Origin和SpaceX身上吸取了经验,Relativity Space创始人团队是20出头的大学毕业生, 通过利用全面的3D打印方法,Relativity Space将全面自动化火箭的生产。这将改变发射行业对于火箭的交付时间、产品迭代速度和成本的看法。

Relativity Space正在进行火箭部件的3D打印和组装工作。完成后,火箭能够将1250千克的有效载荷送入低地球轨道,发射成本约为1000万美元。如果成功,这也将使该公司成为发射成本最低的公司之一。

Launcher
初创的航天企业Launcher 与合作伙伴3T、EOS 也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件,3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量,缩短开发时间,并且更加易于制造复杂功能集成的部件。

Rocket_Launcher_Valley

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Rocket_Launcher_2Launcher开发的铜合金3D打印推力室

launcher_Engine fireLauncher发动机点火测试

Launcher 开发的3D打印铜合金(Cucrzr)发动机部件就集成了复杂冷却通道,这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

NASA video-2视频:Launcher开发的铜合金3D打印推力室

Rocket Lab
根据3D科学谷的市场研究,近日,Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日),详细的披露了Rocket Lab通过增材制造工艺来制造火箭推力室、用于火箭发动机的喷射器和涡轮泵。

Rocket Lab_Patent_1Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日)

用于火箭发动机的传统涡轮泵组件通常包括由一个或多个涡轮机械驱动的离心推进剂泵。该系统的控制非常复杂,因为需要从推进剂泵流出的少量推进剂来供应气体发生器,从而为涡轮机提供动力。

Rocket lab的专利确定使用增材制造技术用于涡轮泵组件生产可以极大地简化这种系统的组装,通过选区金属熔化工艺来制造各种部件将大大降低这种系统的组装复杂性。

3D打印-增材制造技术允许形成复杂的几何形状,而使用传统的减材加工技术或铸造/注射成型技术很难或不可能实现。3D打印技术的这种灵活性在火箭发动机设计领域提供了独特的机会。

l 国内

零壹空间
2018年5月17日,零壹空间自主研发的OS-X火箭“重庆两江之星”成功点火升空。这也是中国首枚“民营自研商用亚轨道火箭”,开创了中国商业航天历史上的崭新起点。

Rocket_Patent_Chineses零壹空间所获批的内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器专利CN 109630319A

根据3D科学谷的市场观察,零壹空间通过3D打印-增材制造技术开发了适用于内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器。通过设计有主喷注孔以及设于第一阶台内的辅喷注通道,在喷注器本体上形成了两个层次的喷注形式。鉴于主喷注孔和辅喷注通道的结构形式不同,故其内所分配的推进剂流量是不同,但其内的推进剂皆沿喷注器本体径向喷射,能够与火焰喷射通道相配合,分别形成第一次燃烧和第二次燃烧,既有利于使总体燃烧更为充分,且在一定程度上抑制燃烧不稳定性的发生。

深蓝航天
2019年11月,中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车,取得圆满成功。在推力性能方面,深蓝航天对主要功能部件进行优化设计,大量采用3D打印工艺,实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越,达到了国际先进水平。

Shenlan_2来源:深蓝航天

据悉,发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件为金属3D打印,发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件,零件内部有百余条冷却流道。

星际荣耀
北京时间2019年7月25日,北京星际荣耀空间科技有限公司(星际荣耀)公司的双曲线一号遥一运载火箭(SQX-1 Y1)在中国酒泉卫星发射中心成功发射,按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道,发射任务取得圆满成功。这次发射虽不是中国民营商业火箭公司所开展的首次发射任务,却是中国民营火箭公司首次成功的“入轨”发射。

Rocket_Patent_Chinese_2星际荣耀所获批的总装结构、火箭发动机、液体火箭专利CN209838557U

根据3D科学谷的市场研究,通过增材制造,星际荣耀实现了用于火箭发动机的总装结构的一体打印成型,机体内部保护若干条流道,总装结构以内部成型流道的方式替代传统的管路件,减少了总装结构上的零件数量,同时节省了管路组装的步骤以及节省了管路购买的成本,实现了对总装结构组装难度的降低以及成本的减少。

Rocket_Patent_Chinese_3涡轮盘、液体火箭打洞机、液体火箭专利CN210105926U

与传统的电火花等加工工艺相比,在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时,传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响,这种紧凑的涡轮盘难以加工。根据3D科学谷的市场观察,星际荣耀通过增材制造一体成型技术可十分方便的加工出上述紧凑型的涡轮盘,加工过程简单,时间短。

根据3D科学谷的市场研究,星际荣耀致力于研发的发动机包括在低成本、可回收方面极具竞争力的液体发动机。除此之外,星际荣耀还在研发姿轨控动力系统,相关部件包括单组元推力室、双组元推力器、切破式电爆阀。

其他
此外,中国航天空气动力技术研究院在3D打印符合材料空间压力容器方面,湖北三江航天在镍基高温合金喷注器方面,上海空间推进研究所在液体火箭发动机再生冷却身部及其槽道结构方面,西安航天发动机厂在高强度不锈钢三元闭式叶轮的整体制造、航天发动机换热构件的制备以及多内腔窄流道喷注器的成形方面,均获得了一定的成果。

block 3D科学谷Review

金属3D打印已经成为航空和航空航天领域的一项关键技术,因为它的优势与该行业的关键需求保持一致,包括减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。

关于3D打印在航天发动机制造中的应用,3D科学谷曾发布过《3D打印与航天制造业白皮书》。3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印,这样不仅实现了零件的整体化结构,避免了原始多个零件组合时存在的连接结构(法兰、焊缝等),也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势,减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。

此外,金属3D打印可以让打印部件达到传统方式无法达到的薄壁、尖角、悬垂、圆柱等形状的极限尺寸,让产品设计师有了更大的发挥空间。在进行飞行器中的复杂零部件设计时,设计师由过去以考虑零部件的可制造性为主,转变为增材设计思维下的实现零部件功能性为主。

由此出发,3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的,这体现在从设计到供应链和库存管理,再到质量控制等各个环节。

值得重视的是这些航天零件的生产都不是单一的3D打印技术实现的,而需要跟其他传统加工技术相结合,根据GF加工方案,混合型生产包括增材制造技术,以及相关的后续流程如铣削、电加工(EDM)、线切割(WEDM)、激光纹理加工等完成零件成品所需的全部工艺流程,集成这些技术协同工作,组建“未来工厂”。在这方面,GF与3D Systems于2018年8月宣布了战略合作伙伴关系,通过把3D Systems在增材制造方面的创新经验和专业技术与GF加工方案在精密加工领域的领先地位相结合,使制造商能够更有效地生产精密公差范围内的复杂金属零部件,并降低运营总成本。

而想像从未有过的设计,成就从未存在过的产品,在这方面,安世亚太提出的正向设计完整解决方案,从以需求出发的架构性和颠覆性创新为基础,设计创新方法论及软件支持在产品全研发周期完成创新闭环。

3D打印技术已然成为火箭制造的“顶梁柱”,有关应用以及国际航天业在低成本、可回收火箭方面掀起的3D打印技术竞争,请参阅3D科学谷发布的《3D打印与航天制造业白皮书

白皮书下载,加入3D科学谷产业链QQ群:529965687
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