3D打印技术如何助力深蓝航天快速成功实现火箭垂直回收

2022-03-03 09:29啸云3D打印
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2021年7月,深蓝航天成功实现中国首例液氧煤油火箭垂直回收试验“蚱蜢跳”,10月再次成功实现中国首例液氧煤油火箭百米级垂直回收试验,两次验所使用的发动机均使用3D打印制造。2022年初,深蓝航天宣布完成近2亿人民币的A轮融资,所募集到的资金除了用于火箭研制可回收重复使用技术的验证及发射准备等作外,还特意强调将用于3D打印增材制造工艺及可回收重复使用能力的测试与研究。



国内外媒体普遍将深蓝航天与SpaceX比较,两者在研发进程和技术的运用方面极其相似。尤其对3D打印技术的应用,两家公司都表现出了相比其他民营航天更强的兴趣。本期,3D打印技术参考通过专访深蓝航天,介绍该公司如何使用3D打印技术,及其在应用过程中遇到的问题和取得的效益。



主动将3D打印纳入设计生产流程

深蓝航天火箭发动机制造技术在国内独树一帜,由于传统的加工手段在复杂部件的制造能力、生产效率和综合成本方面皆无法与3D打印相比,深蓝航天在产品设计之初就采取了增材设计思维。自行研制的“雷霆-5”和“雷霆-20A”液氧煤油火箭发动机在方案设计时就优先选用激光粉末床熔融金属3D打印技术,与传统的设计方法相比,增材设计思维减少了出图数量,提高了设计效率,同时为产品制造争取了周期。



搭载“星云-M”1号试验火箭成功实现“蚱蜢跳”的雷霆-5发动机全机85%重量的零件都由3D打印技术制作。采用传统工艺制造的液体火箭发动机涡轮泵用离心轮、涡轮盘等复杂结构产品,涉及五轴机加工、焊接、电火花等多种工艺,存在生产流程长、加工效率低等问题。3D打印技术本身具有对产品结构复杂性不敏感的特性,深蓝航天采用3D打印制造涡轮泵离心轮、涡轮盘等产品实现了尺寸和性能一致性好,整体生产效率高,综合总成本低的优势。



在产品的集成化制造方面,3D打印同样为深蓝航天提高了产品质量和制造效率。点火器在传统制造方案中由多个机加工零件装配焊接而成,对产品组件的装配质量、焊接质量要求极高,工艺过程复杂。采用3D打印技术制备的点火器仅有一个零件,仅需要数控加工连接接口即可交付装配;且一次可打印多个零件,打印周期仅需一周左右,缩短了产品交付周期,规避了很多质量风险。


深蓝航天表示,与传统的液体火箭发动机制造技术相比,3D打印技术助力深蓝航天达成了以下目标:


突破传统设计思维与制造的局限性,为设计人员提供更大的设计自由度;

优化零件流道流动性能,为燃料和冷却剂通过多腔道/多流道分配提供新的可能性;

降低零件装配错误风险,提高产品的质量稳定性、一致性;

减少加工步骤,省略中间环节,提高生产效率;

缩短产品研制周期,使产品研制总成本更具竞争力。

克服多重困难,优化产品制造方案,保证产品质量

3D打印技术在航天液体火箭发动机领域也是近几年才有了很多的应用场景,深蓝航天也仅在2021年完成雷霆-5整机飞行考核。在这个过程中研发团队需要攻克的难点很多。例如,在雷霆-20A推力室设计方案初期,深蓝航天需要解决很多问题。具体来说,推力室圆柱段内部冷却流道的理算尺寸如何通过3D打印保证,成型后产品内流道的内表面光洁度是多少,内流道表面成型质量对介质流速、流阻的实际使用特性有什么影响。


为了攻克这些难点问题,研发设计人员与3D打印服务商反复沟通确认,最终才形成了现有的打印成型方案;另外,研发人员受限于现有3D打印设备的有效成型尺寸,雷霆-20A 推力室收扩段被迫由一个零件拆解成2个零件——收扩段和延伸段,雷霆-20A 收扩段的打印采用了效成型尺寸为600*600*600mm的国产3D打印设备,而延伸段采用旋压成型的方案



在材料的使用方面,深蓝航天表示,当前3D打印使用的材料基本满足深蓝航天的研制需求。目前,3D打印大量应用的粉末材料牌号有GH4169、TC4、316L,还有少量的AlSi10Mg铝合金粉末。这些牌号在国内已经有很成熟的制备工艺和产品线,市场供应基本稳定,粉末厂家也会前置一定量的安全库存,规避用户的加急采购,一般的供货周期在3-5天。


通常情况下,航空航天领域会对金属3D打印的质量存在疑虑,对此,深蓝航天表示会从设计源头上进行把控。针对3D打印材料性能和结构特点等特性对设计做适应性调整,优化设计和制造工艺,从而提高产品的稳定性。


加速迭代,完成国内首次3D打印火箭发动机真实飞行工况考核

雷霆-5型液体火箭发动机,是国内首型使用3D打印技术制造的针栓式电动泵液氧煤油发动机。3D打印技术的应用加速了设计-制造-设计的迭代。


在2020年初,雷霆-5液氧煤油发动机进行了首次整机变推力长程试车,试验成功。雷霆-5从方案设计到整机试车仅仅用时8个月。




2021年7月,雷霆-5助推 “星云-M”1号试验火箭完成了首次垂直起飞和垂直降落自由飞行,即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验,试验任务取得圆满成功。


在国内首次完成了由3D打印制造火箭发动机的真实飞行工况考核。目前已有20余件3D打印产品应用于深蓝航天液体火箭发动机总装、总测。



充分依靠3D打印供应链,形成自主生产能力

深蓝航天表示,公司目前在国内有2-3家稳定的3D打印合作伙伴,2021年与其中一家签订了战略合作协议,保障2022年6-8套推力室和涡轮泵等3D打印服务稳定供应。现阶段3D打印服务满足该公司的研制计划,不会是深蓝航天产品研制的瓶颈。



深蓝航天感谢这些3D打印合作伙伴长期以来的支持!他们提供了质量稳定的3D打印产品,特别是在雷霆-5、雷霆-20A发动机设计方案阶段,给深蓝航天提出了很多宝贵的建议,规避了很多产品成型质量风险。深蓝航天期望和他们在未来有更深入的合作,除了在产品3D打印方面提供服务外,在特征结构打印、工艺支撑方案设计、粉末和产品性能测试数据等方面充分进行技术交流,实现知识共享和技术突破,共同推进3D打印技术在航天领域的应用和发展。



未来,深蓝航天将继续秉持轻量化设计、一体化设计等先进的设计思想,为液体火箭特有构件一体化快速成型、超大幅面精密结构件轻量化制造等3D打印技术提供工程应用场景。



利用3D打印的技术优势,快速制造高质量产品,加速深蓝航天设计的迭代速度。2022年初,深蓝航天开始规划自有增材制造产能,预计到2022年底初步实现小批量产品3D打印制造能力,到2024年前深蓝航天将在南通工厂建成增材制造+智能制造生产基地,加速推进航天产品增材制造产业化。同时,深蓝航天研发团队将攻关铜材3D打印技术瓶颈,进一步提高3D打印产品的质量和性能。



END



深蓝航天CEO霍亮表示,3D打印发动机一旦成熟应用,意味着火箭发射成本将进一步降低。据公开报道SpaceX猎鹰9号火箭每次发射收费约6200万美元,而Rocket Lab为NASA提供的月球发射任务的报价仅约1000万美元,后者的火箭正是大规模采用了3D打印技术。如果再能实现重复使用,这将大大提高其利润空间。



3D打印技术可以显著缩短产品制造流程,降低成本。集成化的制造优势能够将原来有数百个零件组成的部件通过设计实现合并,从而大大减少零件数量、提高制造效率,并减少事故率。此外,传统发动机制造技术的市场供应商受限,3D打印技术市场供应商更多,来源广泛,市场化环境在竞争中有更加显著的优势。


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