3D打印，是新興航天公司致勝的重要依賴技術(shù)

對于火箭開發(fā)來說，最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一就是制造富含狹窄、復(fù)雜形狀冷卻通道的燃燒室。火箭在發(fā)射過程中，燃燒室的溫度達(dá)到3000-4000℃，這足以熔化任何金屬。導(dǎo)致它不會立即熔化的唯一原因，就是一側(cè)散失的熱量要比另一側(cè)吸收的熱量更多更快，大約1mm壁厚的冷卻通道發(fā)揮了重要作用。而它的機(jī)械加工，尤其是隨后的封閉，都是一項(xiàng)困難的技術(shù)挑戰(zhàn)。

通過3D打印，可以在燃燒室中創(chuàng)造出最優(yōu)形狀的冷卻通道，將高傳熱和低水力損失結(jié)合起來。使用傳統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)建這樣的通道，將會產(chǎn)生極高的機(jī)械加工和釬焊成本。對于新興航天技術(shù)公司來說，3D打印則是他們致勝的關(guān)鍵。

Launcher 3D打印的全尺寸E-2液體火箭發(fā)動機(jī)

2020年10月， Launcher開始測試其全尺寸的E-2液體火箭發(fā)動機(jī)，旨在以最低的成本為小型航天運(yùn)載火箭提供最高的性能。因?yàn)椴捎昧艘幻赘叩?D打印單件銅合金燃燒室，這家只有不到20名員工的公司，得以在最短的時間以相對較低的預(yù)算實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

然而，E-2液體發(fā)動機(jī)的3D打印零件不只有燃燒室，還有液氧泵、渦輪泵以及噴油器等等。接下來，3D打印技術(shù)參考將分別介紹這些零件的制造材料、完成單位以及其他細(xì)節(jié)。

從有需求、無設(shè)備，到打印一體化的全球最大火箭燃燒室

早在2017年，Launcher就指定了E-2發(fā)動機(jī)的制造路線圖。最初是將渦輪泵的開發(fā)作為其首要目標(biāo)，這是因?yàn)楫?dāng)時的SLM設(shè)備已經(jīng)具備了這一應(yīng)用所需的制造體積，然而當(dāng)時還沒有可以打印一米高零件的3D打印機(jī)，無法整體制造單件E-2燃燒室。其他航天公司則調(diào)整思路，選擇生產(chǎn)較小的發(fā)動機(jī)，或者將零件分成三件或更多件分別打印再組成一個整體。然而，這種方法會降低燃燒/冷卻性能，增加發(fā)動機(jī)重量以及成本。

Launcher一直在推動SLM設(shè)備制造商開發(fā)更大成型尺寸的金屬3D打印機(jī)，但當(dāng)時只有EOS旗下的AMCM公司愿意嘗試，并迎合Launcher的開發(fā)需求。此外，AMCM看到了更多的潛在應(yīng)用以及需求，進(jìn)而加快了開發(fā)進(jìn)程，使其M4K打印機(jī)得以提前兩年投入使用，這使得Launcher能夠在推進(jìn)渦輪泵研發(fā)的同時開發(fā)E-2燃燒室。

E-2火箭發(fā)動機(jī)燃燒室3D打印過程

M4K打印機(jī)的成型尺寸為450 x 450 x 1000mm，配備4臺1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一個燃燒室模型。最終全尺寸的燃燒室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的單一組成部分3D打印燃燒室。

2019年以來，AMCM已經(jīng)為Launcher完成了多個版本的燃燒室制造任務(wù)，以供不同的測試需求。2020年10月lanucher開始對E-2進(jìn)行測試，前兩次測試的燃燒室并沒有冷卻功能，以降低風(fēng)險并測試3D打印噴油器的性能，兩項(xiàng)測試均獲成功。第三次測試的燃燒室則具有全部功能，并確保冷卻通道的清潔。

3D打印的銅合金燃燒室具有優(yōu)異的表面質(zhì)量

鎳基合金只是折中方案，銅合金整體打印卻不是誰都能做

在開發(fā)全尺寸的E-2發(fā)動機(jī)之前，E-1已經(jīng)是一款功能齊全的小型原型機(jī)，用于全面評估和測試發(fā)動機(jī)設(shè)計的各個方面。最初計劃采用鎳基合金制造這兩款發(fā)動機(jī)。但在項(xiàng)目的早期階段，Launcher發(fā)現(xiàn)英國3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技術(shù)打印銅合金。雙方接洽后，開始測試標(biāo)準(zhǔn)的C18150 CuCrZr合金作為燃燒室材料的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料具有高效的熱傳導(dǎo)性和冷卻效果，且傳導(dǎo)性能達(dá)到了鎳基合金的20倍，不僅提高了燃燒室的壽命更降低了成本。

如今，銅合金被廣泛認(rèn)為是冷卻液體火箭發(fā)動機(jī)的最高性能材料，而鎳基合金則是一種折衷方案。然而，在當(dāng)時則鮮有能夠完整打印整件銅合金燃燒室的服務(wù)提供商。通過與3T的合作，Launcher在不到8周的時間里完成了從報價、制造到試車的過程。

3D打印燃燒室剖面圖可看到復(fù)雜的流道

從E-1到E-2，更大的內(nèi)部冷卻通道更容易打印和清潔粉末，但制造具有必要強(qiáng)度的壁和歧管則較為困難。這一階段的關(guān)鍵除了設(shè)計優(yōu)化之外，還需要在打印機(jī)上開發(fā)能夠制造一米高銅合金燃燒室的工藝參數(shù)，這成為該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素之一。

工藝開發(fā)分為兩個階段，首先是在AMCM M290 1KW打印機(jī)上開發(fā)，之后將其移植到M4K上，它們具有類似的光學(xué)配置。在生產(chǎn)完第一批樣品并確認(rèn)材料質(zhì)量后才進(jìn)行燃燒室的打印。2018年和2019年，launcher對E-1發(fā)動機(jī)的各種原型進(jìn)行了試車，包括研究不同制造參數(shù)（如粉末層厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。

3D打印的燃燒室在進(jìn)行熱等靜壓

熱處理也是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素，E-2的最終熱處理和熱等靜壓（HIP）由Launcher定制開發(fā)，Quintus Technologies的設(shè)備完成，以達(dá)到其特定的材料性能目標(biāo)。

除燃燒室、噴油器采用3D打印制造外，E-2火箭發(fā)動機(jī)的液氧泵、渦輪泵也是3D打印而成。前者是火箭發(fā)動機(jī)的核心部件，用于液氧的輸送與增壓，由EOS M290采用鎳基合金和鋁合金材料3D打印；后者又被稱作是火箭發(fā)動機(jī)的心臟，用于給發(fā)動機(jī)增壓，它由Protolabs采用Velo3D的設(shè)備和In718鎳基合金打印而成。可以明確的是，這兩個零件都經(jīng)過了熱處理，并留下了經(jīng)過加工的表面。截至2020年7月，3D打印的渦輪泵已完成70多次驗(yàn)證。

3D打印的E-2火箭發(fā)動機(jī)液氧泵

3D打印的E-2火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵

將3D打印的優(yōu)勢、缺點(diǎn)，統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢

Launcher首席設(shè)計師伊戈?duì)枴つ嵯瓤屏信e了增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，包括實(shí)現(xiàn)獨(dú)特形狀（包括內(nèi)部通道等）的設(shè)計自由度的能力、相比傳統(tǒng)技術(shù)在進(jìn)行更大和更復(fù)雜項(xiàng)目方面的處理速度以及將多個組件整合到一個零件中的能力等，均被用到了E-2燃燒室的設(shè)計和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之處，即表面粗糙度較大。然而，在燃燒室的設(shè)計中它也起到了積極作用：通道中的粗糙表面可以顯著增加冷卻液的傳熱。在一些傳統(tǒng)制造的發(fā)動機(jī)中，燃燒室通道也會以特殊方式加工來獲得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而變成了優(yōu)勢，從而減少了后續(xù)加工。

3D打印的燃燒室正在進(jìn)行機(jī)械拋光

燃燒室已連接管道準(zhǔn)備試車

任何傳統(tǒng)技術(shù)，包括沖壓、機(jī)加工、釬焊、焊接和再次機(jī)加工的許多階段，都不可能在兩周內(nèi)從零開始制造出一個幾乎完工的燃燒室，即使擁有這方面所需的所有機(jī)械，而增材制造卻將此變成了現(xiàn)實(shí)。

END

航天領(lǐng)域?qū)⒊蔀榻饘僭霾闹圃煸絹碓街匾氖袌觥auncher和AMCM之間的合作，使由此產(chǎn)生的材料和工藝技術(shù)向更為寬廣的應(yīng)用范圍擴(kuò)展。作為一項(xiàng)加工技術(shù)，它不僅被行業(yè)巨頭開放，私營企業(yè)和小型組織也完全可以獲取。

金屬3D打印是促成Launcher等私人航天快速發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)之一，它以相比過去極低的成本開發(fā)和制造火箭發(fā)動機(jī)，大大加快了開發(fā)時間，并取得了燃燒效率的提高。而在此前，火箭發(fā)動機(jī)的高昂成本只有超級大國才能負(fù)擔(dān)得起。如果沒有3D打印，像Launcher這樣的小公司則不可能以如此小的代價取得如此大的成功，而沒有這些應(yīng)用的推動，3D打印技術(shù)的發(fā)展則可能不會這么迅速。