火箭噴嘴
關注創建者：兵荒馬亂 創建時間：2019-10-10
火箭噴嘴的視頻教程
基于fluent的火箭發動機噴嘴流場（LES大渦模擬）仿真，視頻免費無聲音，提供附件（需購買）練習。
基于fluent的火箭發動機噴嘴流場（LES大渦模擬）仿真，模型為三維模型，視頻免費無聲音，提供附件（需購買）練習。
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火箭噴嘴的實例教程
借助 EOS 技術，ArianeGroup 成功將其推向全新高度：面向未來的上級助推器中使用的火箭發動機噴嘴從原來的248個組件減少為僅 1 個組件。噴嘴已經簡化為真正的一體化 (AiO) 設計。
面臨的挑戰
歐洲航天局 (ESA) 希望借助高效的運載火箭技術在航天運輸領域占據強有力的獨立地位。為此，委托歐洲航空航天公司 Airbus Group 與法國 Safran 集團聯合成立的合資企業 ArianeGroup 打造新一代產品。Ariane 是歐洲航天局研制的一系列運載火箭，旨在將通信衛星等重型有效載荷送入地球軌道。
在推進模塊中，會在極端條件下產生巨大推力。這需要在狹小空間內實現極高的可靠性和精確度。噴嘴是助推器的核心組件之一，負責將燃料混合物輸送入燃燒室。在傳統設計中，該組件由 248 個零部件構成，而這些零部件通過各種制造步驟生產、裝配而成。采用鑄造、銅焊、焊接與鉆孔等不同的工藝步驟可能會帶來缺陷，從而可能導致在極端負荷下產生風險。此外，生產如此多的零部件也是一個十分耗時的復雜過程。在噴油器組件領域，傳統的生產過程需要在銅套管中鉆出 8000 余十字孔，然后用螺釘將銅套管精確地固定到 122 個噴油器組件上，以便將其中流動的氫氣與氧氣混合。實現集所有零部件于一體的功能集成組件顯然是一項宏偉的目標。特別對于 1 類組件，這還有助于發揮巨大的經濟潛力，減少工藝步驟并縮短生產時間。
解決方案
增材制造為這些挑戰提供了解決方案。
展開 南極熊獲悉，澳大利亞SPEE3D于2021年7月8日宣布，公司已獲得超過150萬美元（約973.47萬人民幣）資助，用于冷噴涂金屬3D打印火箭發動機的低成本批量生產。資金來源分為兩部分，聯邦政府的MMI 'Space' Translation Stream撥款125萬美元（約811.22萬人民幣），另外還有312,000美元（約202.48萬人民幣）來自北領地政府。
△WarpSPEE3D
SPEE3D的SPAC3D項目旨在“為太空制造高質量、廉價的金屬3D打印火箭發動機”。這家公司的WarpSPEE3D機器能夠在三小時內以低于1000美元（約6488元人民幣）的成本生產17.9公斤銅火箭噴嘴內襯。憑借這些能力，現代制造計劃 (MMI) 和政府機構計劃評價SPEE3D及其金屬3D打印技術將澳大利亞變成“世界領先的火箭發動機制造商和出口國”。SPEE3D本次獲得的資金使公司準備驗證增材制造火箭發動機對商用航天器的實用性，并進行熱火測試。
△在SPEE3D的WarpSPEE3D機器上制造的17.9公斤銅火箭噴嘴內襯（由SPEE3D提供）
SPEE3D首席技術官Steven Camilleri表示，SPEE3D先進的制造工藝能夠快速制造火箭發動機。MMI贈款將使公司能夠與澳大利亞的其他伙伴合作，為新興的工業航天市場制造和測試飛行發動機。工業、科學和技術部長ChristianPorter補充說，政府的現代制造計劃旨在支持制造商更具競爭力、更有彈性，并能夠進入新的國內和全球市場。這筆政府資金將幫助Effusiontech(SPEE3D) 發展業務并創造就業機會，同時還將刺激對制造業的進一步投資，并鞏固澳大利亞創造高價值產品國家的聲譽。
展開 這是模擬火箭噴管的兩個示例問題中的第二個：
• 第一個例子，火箭噴嘴延伸模擬：制造，演示了如何模擬噴嘴制造階段的熱應力。
• 下面的第二個示例問題演示了如何模擬火箭噴嘴運行期間產生的熱應力。
雖然兩個示例都基于相同的幾何圖形，但使用的假設不同，因此導致不同的網格和不同的單元類型。
對于這個問題，假設火箭已經發射，熱氣體正在流經噴嘴，使噴嘴體內外受到對流熱負荷。熱載荷導致體沿厚度方向出現明顯的熱梯度，表現為高熱應力。
固體熱和結構單元準確地模擬了問題的多物理特性。雖然完全耦合的單元可以解決該問題，但使用松耦合方法代替。由于主體材料可以是均質或分層復合材料，因此模擬需要具有均質和分層材料能力的實體單元類型。
介紹
殼單元模型在大多數區域給出了精確的應力；然而，貫穿厚度的應力并不精確，尤其是在加強件與噴嘴體連接的情況下。固體單元用于此分析，以提高貫穿厚度應力的精度。因此，這個問題證明了固體層狀熱單元（SOLID279）的一些特征。這個示例問題的幾何圖形已經被劃分網格并存儲在cdb文件中。
對于本例，假設材料行為為正交各向異性（結構和熱均是）。因此，重要的是沿單元內的某些正交方向定義材料特性。這強調了在每個單元中定義單元坐標系的必要性。
盡管有一個很好的理由來定義獨立于底層單元的材料方向，但這目前受到現有技術的限制。
所有單元都有默認的單元坐標系，但這些默認坐標系并不總是方便的。材質方向可能與單元坐標系（ESYS）不對齊，因此可能需要修改它們。通常可以通過以下步驟完成此操作：
1. 定義單元坐標系-由于曲率快速變化，此模型中的每個單元都必須定義自己的單元坐標系。（考慮對給定的磚網格使用LOCAL和EMODIF命令。）因此，單元z軸與厚度方向對齊，并且單元x軸與曲率對齊。
展開 由此產生的無裂紋金屬可用于高溫部件，如火箭噴嘴、熔爐的加熱元件或聚變反應堆和醫學成像系統的部件。
△使用電子束熔融的3D打印技術生產的鎢部件。照片來自Markus Breig, KIT
由應用材料研究所-材料科學與工程（IAM-WK）的Steffen Antusch領導的KIT研究人員已經研究了幾種不同的3D打印方法，以制造幾乎不需要后期加工的鎢部件。在他們的最新工作中，他們使用EBM來減少鎢在加工過程中的應變，從而生產出一種沒有裂縫的軟性材料，更容易處理。
EBM技術使用在真空中加速的電子束來熔融金屬粉末。通過移動電子束，有可能以添加方式從金屬中生產出三維部件，也就是逐層生產，這項技術最初是為鈦合金和需要高加工溫度的材料開發的。
預熱減少變形和固有應力
為了使用鎢創建3D打印部件，Antusch和他的同事通過EBM機器中的電子束在熔融鎢金屬粉末前對其進行預加熱。研究人員解釋說，這種預熱程序減少了金屬的變形和固有應力，使得加工在室溫下容易斷裂但在預熱后可以變形的材料成為可能。
Antusch宣稱EBM與其他技術（如激光打印）相比，在生產無裂紋鎢部件方面要好得多。而且，與粉末注射成型技術（另一種廣泛采用的用于制造復雜、大批量凈成形部件的先進制造技術）不同，Antusch指出，使用新方法"你不需要昂貴的工具，可以自由設計打印部件"。
IAM-WK的研究人員參與了亥姆霍茲協會和歐洲聚變計劃（EUROfusion）的工作，其長期目標是為聚變能源和醫學工程中的高溫應用開發材料和工藝（如為CT掃描儀制造零件）。他們現在計劃對其打印的鎢材料的機械性能進行表征和測試，以用于此類應用。
展開 該公司的 WarpSPEE3D 3D 打印機在短短三個小時內以不到 1,000 美元的成本生產了一個 17.9 公斤的銅火箭噴嘴內襯。現在，在政府對其 SPAC3D 項目的支持下，SPEE3D 將尋求將其技術應用于制造高質量的金屬 3D 打印火箭發動機，與傳統生產的發動機相比，這些發動機仍然便宜。WarpSPEE3D能夠在極端條件下運輸和卸載，并且可以在 30 分鐘內運行，發現能夠以每分鐘 100 克的速度打印重量高達 40 公斤的大型金屬零件。
△SPEE3D3D 在短短三個小時內打印出銅制火箭噴嘴內襯
11、Rocket Lab
2015年，總部位于加利福尼亞的航空航天公司Rocket Lab宣布開發出世界上第一枚電池動力火箭，而且發動機幾乎完全是3D打印的。這套低成本的發射系統以Electron的形式出現，盧瑟福發動機可以在24小時內3D打印出來。發動機的主要推進閥、噴油器、泵和發動機室都是通過電子束熔化3D打印出來的，發動機本身也是首創，它使用電動馬達代替氣體，創造出更輕巧、高效的機器。這家初創公司將3D打印用于火箭的主要部件，目前已經發射了第16次任務。此外，Rocket Lab于今年推出了其下一代可重復使用的3D 打印火箭 Neutron。
不難看出，全球各地火箭發動機制造商在太空競賽中面臨著激烈的競爭，我國3D打印火箭發動機同樣有著出色表現，這也表明3D打印在火箭發動機制造方面有著極大的應用潛力。星辰大海是征途，坎坷艱辛唯不悔，我們也相信中國航天未來可以在火箭發動機制造領域站穩腳跟、發光出彩。
12、Launcher金屬3D打印火箭發動機
自2017年成立以來，Launcher不斷利用3D打印技術來升級火箭發動機的性能。
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這是模擬火箭噴管的兩個示例問題中的第二個：
• 第一個例子，火箭噴嘴延伸模擬：制造，演示了如何模擬噴嘴制造階段的熱應力。
• 下面的第二個示例問題演示了如何模擬火箭噴嘴運行期間產生的熱應力。
雖然兩個示例都基于相同的幾何圖形，但使用的假設不同，因此導致不同的網格和不同的單元類型。
在2001年的國際固態電子電路會議上，專家們曾經指出，如果芯片耗能和散熱的問題得不到解決，到2005年芯片上集成了２億個晶體管時，就會熱得像“核反應堆”(1000℃)，到2010年時就會達到火箭發射時噴嘴的高溫水平(3000℃)，而到2015年就會與太陽的表面一樣熱(6000℃)。
碳纖維或碳化硅等陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料已成為制造航天器外殼和火箭噴嘴等不可或缺的材料。
2、HfB2、ZrB2、ZrC等用于超高溫陶瓷涂層。隨著超高聲速飛行器的發展，對其表面抗燒蝕和抗大氣沖刷的要求也越來越高，HfB2、ZrB2、ZrC等超高溫陶瓷作為高溫涂層材料對提升飛行器表面的抗燒蝕和抗沖刷能力有著不可替代的作用。
3、氮化物復合材料用于高溫透波材料。
除了國防應用，SPEE3D的冷噴技術在火箭發動機部件制造方面同樣有著優秀表現：在短短三個小時內就生產了一個17.9公斤的銅制火箭噴嘴襯墊，成本不到1000美元。
△澳大利亞陸軍正在準備WarpSPEE3D打印機的操作。照片來自澳大利亞陸軍
△SPEE3D的金屬3D打印機。
△在SPEE3D的WarpSPEE3D機器上制造的17.9公斤銅火箭噴嘴內襯（由SPEE3D提供）
SPEE3D開發了“ Supersonic 3D沉積”技術，不用加熱熔化金屬粉末。在這項工藝中，噴嘴將空氣加速到聲速的三倍，將金屬粉末注入，然后將沉積到由六軸機械臂操縱的基板上。
該公司的 WarpSPEE3D 3D 打印機在短短三個小時內以不到 1,000 美元的成本生產了一個 17.9 公斤的銅火箭噴嘴內襯。現在，在政府對其 SPAC3D 項目的支持下，SPEE3D 將尋求將其技術應用于制造高質量的金屬 3D 打印火箭發動機，與傳統生產的發動機相比，這些發動機仍然便宜。
與大多數火箭不同，噴嘴位于火箭的前端，而不是尾端（大概是為了穩定性，因此它不會使線路著火）。在確定更有效零件的制造方法后，PM Ammo于2019年開始探索MICLIC頭帽的替代生產技術。經過廣泛研究、開發和原型制作，團隊與海軍水面作戰中心Corona Divsion合作生產3D打印組件。
在2001年的國際固態電子電路會議上，專家們曾經指出，如果芯片耗能和散熱的問題得不到解決，到2005年芯片上集成了２億個晶體管時，就會熱得像“核反應堆”(1000℃)，到2010年時就會達到火箭發射時噴嘴的高溫水平(3000℃)，而到2015年就會與太陽的表面一樣熱(6000℃)。
這家公司的WarpSPEE3D機器能夠在三小時內以低于1000美元（約6488元人民幣）的成本生產17.9公斤銅火箭噴嘴內襯。憑借這些能力，現代制造計劃 (MMI) 和政府機構計劃評價SPEE3D及其金屬3D打印技術將澳大利亞變成“世界領先的火箭發動機制造商和出口國”。
GRCop42 基合金是關鍵解決方案之一，它使我們能夠解決氣釘噴嘴火箭發動機的熱挑戰。我們現在準備為所有歐洲航空航天部門敞開懷抱。”
GRCop-42 是一種高導電性、高強度合金，用于高熱通量應用，例如液體火箭發動機和其他燃燒裝置。這種由 NASA 開發的銅鉻鈮合金專為具有良好抗氧化性的再生冷卻燃燒室和噴嘴所特有的惡劣環境而開發。
