2021年12月7日，谷神星一號商業運載火箭于酒泉衛星發射中心發射成功，星河動力(北京)空間科技有限公司（下稱“星河動力航天”）成為了國內首家掌握500km一箭多星商業發射能力、首家實現連續發射成功的民營航天企業，該公司秉持“固液并舉”發展戰略，同步自主研制的中大型重復使用液體火箭智神星一號在兩個月后也傳來好消息——主動力裝置蒼穹50噸級液氧煤油發動機試車圓滿成功，輔助動力系統300N、50N發動機單機地面熱試車，這標志著該公司中大型重復使用液體運載火箭蓄勢待發。
根據此前的公開信息，我們已經了解到星河動力公司已經開始使用3D打印技術，這是實現低成本和快速研制的重要因素。近期，3D打印技術參考專訪了星河動力，公司研發團隊首次向媒體介紹了這項技術的應用情況。
星河動力3D打印技術應用概況
星河動力可重復使用中大型液體運載火箭“智神星一號”主動力裝置“蒼穹”發動機內部的一些殼體類零組件的空間結構、葉片類零組件的葉型以及推力室類零組件的流道均較為復雜，使用傳統的機加工藝方法難以實現，且加工周期較長、成本較高，3D打印存在明顯的技術和工藝優勢。借助于此，星河動力在該發動機中大量使用3D打印技術：渦輪泵3D打印件重量占比約65%，發生器3D打印件重量占比約75%，主管路90%為3D打印件，推力室3D打印部分占比約30%，閥門殼體類零件約90%均為3D打印制造。
“蒼穹”40噸液氧/煤油發動機
星河動力小型運載火箭“谷神星一號”的四級——“邊界”軌姿控動力系統，其中的集合環以及經進一步改進后的多機集合塊也使用了3D打印技術，從而極大簡化了管路接口，優化了機加過程。
2000N軌控發動機產品
在“邊界”系列軌姿控動力系統設計之初就將3D打印方案納入考慮，因為動力系統設計原則之一就是低成本、高效能，3D打印與動力系統的設計原則需要契合。與傳統的設計思路相比，設計師不再一味追求結構簡單、線條單一、易于加工的零件形式，而是以性能、強度、重量等為主要導向的優化結構，且要與3D打印成型具有良好的匹配性，因此對設計師也提出了更高的要求。通過該路徑制造的產品，實現了輕量化、個性化、一體化、復雜化的總體性能提升。
然而，當前大部分設計師的設計經驗主要來自傳統機加，3D打印相比于傳統機加在設計上需要額外考慮產品型面、弧度、角度、支撐以及打印方向等問題，初次接觸3D打印的設計師設計的產品可能無法直接打印，需要反復幾次，但熟練3D打印產品設計基本原則后，則能快速設計出傳統機加難以加工的產品構型，與仿真軟件相結合能夠設計出質量輕、強度高、性能好的產品。
3D打印為星河動力火箭發動機制造解決了哪些實際問題
3D打印對總裝導管的優勢在于克服了大直徑薄壁管路無法彎曲成型的難題，新工藝使管路變向處的壁厚與直管段壁厚一致，保證了裝配的可靠性。3D打印對發動機總裝的另一個優勢是復雜內腔的加工，如采用3D打印的控制閥座內腔可以設置復雜的通道，減少了使用控制導管帶來的系統復雜性。
渦輪泵的泵輪與蝸殼在設計之初，分別進行了簡單型面的機加方案與復雜型面的3D打印方案設計，后者較前者效率提高約5%。另外，渦輪盤也同樣采取了機加成型與3D打印成型兩種方案，機加成型需要20～25天，3D打印僅需要3～4天，大大縮短了制造周期與成本。
渦輪泵零組件
渦輪泵水試件裝配完成圖
軌姿控動力系統的多機集合塊，如果按照傳統方案設計會增加大量工藝孔，這些工藝孔在內部流道加工完成后需要進行焊接封堵，工藝較為復雜，采用3D打印技術能夠一次成型，只需在對接面留余量機加到設計公差即可滿足使用要求，提升了加工的便利性，縮短了加工周期。
點擊播放 GIF 0.0M
軌姿控動力系統試車
大推力液體火箭發動機推力室通常采用再生冷卻的方式進行燃燒室熱防護工作，其制造工藝過程都極其細致和復雜，整個制造過程通常都長達數月之久，生產過程中任何一個小小的失誤，都可能導致整個推力室的報廢，因此推力室的造價也非常高。
點擊播放 GIF 0.0M
發動機運行動畫
3D打印等增材制造技術使制造廉價版再生冷卻推力室成為可能，國外航天企業和研究機構已經通過3D打印技術對整體制造再生冷卻推力室甚至火箭發動機整機進行了驗證性研究。通過對支持多種金屬同時打印的增材制造技術的研究和實施，達到大推力液體火箭發動機再生冷卻推力室復雜型腔集成設計和一體化制造，大幅縮短推力室制造周期，同時在一定程度上可以降低推力室的制造成本，優化性能并減重，提高推力室的可靠性和壽命。
END
在大規模使用3D打印技術的過程中，星河動力公司積極與3D打印業內品牌商合作，飛而康、鋼研極光、鉑力特、鑫精合等對零部件的結構優化以及零件制造均給予了很大幫助，星河動力希望能夠借助這項技術使產品更輕、數量更少、強度更高、可靠性更好。未來，在“蒼穹”液氧/煤油火箭發動機、“邊界”軌姿控等復雜系統中，星河動力將更多的采用3D打印技術。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
