从火箭发动机应用案例看3D打印发展趋势
火箭发动机利用冲量原理,将推进剂贮箱或运载工具内的反应物变成高速射流,从而产生推力。火箭发动机集 合了高推力(百万牛顿),高燃气压力(10-200大气压),高排气速度(音速的10倍),高推重比(>100)等技术特点,对设计和制造提出了严苛的要求。本期优化讲坛为大家来盘点一下3D打印在火箭发动机中的应用进展和发展趋势。受到传统制造技术的限制,以前的喷油嘴制造方法为:先分别制造出不同的部件,然后再将它们焊接起来。但焊缝天然具有缺陷,容易断裂,在高强度压力下极易导致零件破坏。而且焊接会使喷油嘴的重量增大。Aerojet Rocketdyne AR1火箭发动机的喷油嘴使用选择性激光熔化(SLM)技术制造。设计师将喷油嘴设计优化为一个整体的零件,有利于零部件的减重和性能的提升。同时,把零部件的交货时间减少了9个月,并降低了70%的成本。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1634489742031_wvl0j0.jpg?imageView2/0)
燃烧室是火箭发动机的关键部件,推进剂在燃烧室混合并点燃,产生高达2760℃的高温。这需要复杂的内部冷却通道,保证燃烧室的正常工作。美国航天局NASA 利用3D打印技术制造了一个铜质发动机燃烧室,打印材料为GRCo-84铜合金,打印工艺为选择性激光熔化(SLM)。复杂的冷却要求使燃烧室成为最难开发的发动机部件之一。工程师根据3D打印的技术特点,重新优化了燃烧室内外壁之间的200多条复杂的通道,从而使燃烧室具有更好的冷却效果。NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升,同时至少降低50%的制造成本。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1634489740739_ijzf28.jpg?imageView2/0)
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3D打印技术给予了设计师更加广阔的设计自由度。在制造复杂轻量化结构零件方面,设计师可以从结构的功能需求出发,实现多种轻量化结构。莫纳什大学的科研团队通过金属3D打印设备和轻量化结构的设计思路,对火箭发动机零件进行了再设计和探索,设计了一个带有点阵夹芯薄壁结构的火箭发动机零件。![图片](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1634489742542_664pj2.jpg?imageView2/0)
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本期优化讲坛为航空航天3D打印应用发展趋势的第三篇(其余两篇为:从空中客车应用案例看3D打印发展趋势和从波音公司应用案例看3D打印发展趋势),结合这三篇分析文章来看,3D打印技术的推广应用不仅依赖于设计研发人员的3D打印优化设计思维、工艺研发人员的3D打印制造技术提升,而且也依赖于材料研发人员的3D打印新材料开发。以3D打印铜合金发动机燃烧室为例,此项目的难度不仅在于冷却流道的设计复杂性,同时也面临着铜合金3D打印的挑战。铜是一种难以用于增材制造的材料,为此,工程师专门开发了一种3D打印铜合金GRCop-84,并通过了NASA的验证。然而,NASA还在开发更好的3D打印铜合金。据报道,在GRCop-84的基础上,NASA又开发了GRCop-42,GRCop-42具有类似GRCop-84的强度,但有更加优异的导热性。
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首次发布时间:2021-10-18
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