研究 l 盤點3D列印火箭發動機狀況及進展

液體火箭發動機主要由推力室、渦輪泵、燃氣發生器、火藥啟動器和各種閥門、調節器、管路等組成。渦輪泵是由氣體渦輪、燃料泵和氧化齊泵等組成，其功用是由渦輪帶動泵，將來自貯箱的推進劑的壓力由幾百千帕提高到幾萬千帕。然後再送入發動機推力室。渦輪泵結構複雜、工作條件苛刻、壓頭高，因此，設計效率高的渦輪泵也是發動機研製中的關鍵。

3D列印技術在預燃燒器生產和火箭製造潛在的其他方面的應用前景意味著美國現在有望改變目前在航天領域依賴俄羅斯的現狀。同時也為活躍在火箭製造領域的各大廠商帶來了活力與更大的創新空間。

本期，3D科學谷特別為谷友梳理3D列印在飛機發動機領域的應用進展。

迷你發動機

Aerojet Rocketdyne

2014年，航天軍工領先製造商GenCorp下屬的 Aerojet Rocketdyne宣布，他們用3D列印技術直接製造了一台完整的發動機並成功通過測試，而且由於製造技術的改變，這台發動機的零部件被合并至只有三個！

這是一台液氧/煤油發動機，在Aerojet Rocketdyne公司內部通常被稱為「迷你型Banton」。因為這是該公司生產的幾款動力並沒那麼強大的Banton發動機之一，迷你型Banton能夠產生高達5000磅的推力。使用增材製造，Banton發動機的零部件數量急劇縮減到只有三個，其中包括喉部和噴嘴部分、噴油器和圓頂組件、燃燒室。

噴射器

Aerojet Rocketdyne

AR1火箭發動機的單衝量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D印表機製造的。AR1是一款正在開發中的50萬磅推力級的液氧/煤油發動機，美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發動機。噴射器是用選擇性激光熔化（SLM）技術製造的，3D列印被證明能夠以與傳統製造技術相比很低的成本快速製造出複雜的發動機零部件。僅在主噴射器一項，3D列印就把零部件的交貨時間減少了9個月，並降低了70%的成本。

噴油嘴

Aerojet Rocketdyne

2015年3月，Aerojet Rocketdyne公司在其薩克拉門托測試中心成功完成了對其AR1增壓發動機關鍵部件的熱點火測試。AR1火箭發動機的單衝量（single-element）主噴油嘴是完全使用3D印表機製造的。

AR1是一款正在開發中的50萬磅推力級的液氧/煤油發動機，美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發動機。根據2015年美國國防授權法案的要求，為了美國國家安全的考慮。到2019年之前美國製造的替代產品要完全取代俄羅斯的RD-180發動機，並可用於火箭發射。

GKN

2017年，GKN航空航天公司宣布已經向法國的空中客車和賽峰集團提供了先進的Ariane 6號火箭噴嘴（SWAN）。

直徑為2.5米，噴嘴採用創新技術製造而成，性能更高，交貨時間更短，成本更低。通過激光焊接和激光能量沉積工藝對關鍵結構零部件進行加工，使得噴嘴的零部件數量減少了90％，從約1000個零部件減少到約100個零部件。並且降低了40%的成本，減少了30%的交貨時間。

銅合金推力室

Aerojet Rocketdyne

最近十年以來，Aerojet Rocketdyne 積極的在RL10火箭發動機和其他航天系統中應用增材製造技術，如AR1火箭發動機中的3D列印噴射器和MPS-120 CubeSat衛星中的模塊化推進系統，Aerojet Rocketdyne 希望通過增材製造技術航天零部件的設計自由度和性能。

Aerojet Rocketdyne於2017年4月通過測試的3D列印銅合金推力室部件是全尺寸的，Aerojet Rocketdyne增材製造項目部門表示這是目前最大的3D列印銅合金推力室部件。相比傳統的製造工藝，選擇性激光熔化3D列印技術為推力室的設計帶來了更高的自由度，使設計師可以嘗試具有更高熱傳導能力的先進結構。而增強的熱傳導能力使得火箭發動機的設計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發射技術所需要的。

NASA

2015年，美國航天局NASA 在銅質發動機燃燒室的3D列印方面也取得了突破，列印材料為GRCo-84銅合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心開發出來的一種銅合金，列印工藝也是選擇性激光熔化。燃燒室襯裡的3D列印總共為8255層，僅這一個部件列印時間為10天零18個小時。這個銅合金燃燒室零部件內外壁之間具有200多個複雜的通道，製造這些微小的、具有複雜幾何形狀的內部通道，即使對增材製造技術來說也是一大挑戰。

部件接下來被送至NASA在弗吉尼亞州的Langley研究中心，那裡的研究人員會使用電子束自由製造設備為其塗覆一層含鎳的超合金。當這些完成後，工程人員希望今年夏天在馬歇爾飛行中心進行現場點火測試，看它是否真的能在實際環境中發揮作用。NASA的最終目標是要是要使火箭發動機零部件的製造速度大幅提升，同時至少降低50%的製造成本。

SpaceX於2013年就成功通過EOS金屬3D印表機製造SuperDraco火箭發動機推力室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統的發動機製造技術相比，使用增材製造不僅能夠顯著地縮短火箭發動機的交貨期和並降低製造成本，而相比傳統製造發動機的成本，而且可以實現「材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等」優良屬性。這是一種非常複雜的發動機，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節流系統都很難製造。EOS能夠列印非常高強度的先進合金,是創造SuperDraco發動機的關鍵。

Aerojet Rocketdyne、Blue Origin、ULA

阿拉巴馬州Huntsville的Dynetics和加州Sacramento的Aerojet Rocketdyne公司已經開始著手研發可以替代RD-180的火箭發動機。他們使用3D列印技術生產發動機主要部件：預燃燒器（pre-burner）。

2019年，一台完全由美國人製造的RD-180火箭發動機將會完成。而其他美國製造商，包括亞馬遜Jeff Bezos創立的Blue Origin，以及聯合發射聯盟（ULA），也投身於開發RD-180製造技術的行列，并力圖爭奪隨後重要的政府招標合同。

2015年4月，一家私人持股的航天公司Rocket Lab宣布，該公司開發的世界上第一個用電池做動力的火箭——Electron發射系統（Electron Launch System）正式面世。該火箭使用碳複合材料作為主體，主要用於發射小型衛星進入地球軌道。火箭上使用了電動電Rutherford發動機，值得一提的是這部發動機的所有主要部件都是3D列印的，包括其發動機腔室、泵、主推進劑閥和噴射器等。

閥門、噴嘴、渦輪泵...

Rocket Lab

Rocket Lab在過去十年來一直致力於開發火箭系統，主要產品就是Electron小型運載火箭，可以將衛星送入地球軌道。最為特別的是Electron的發動機的許多關鍵部件都是3D列印的。

Rocket Lab 含關鍵3D列印部件的氧/烴發動機重量23,000kg，有一系列的創新，包括3D列印技術的運用。其獨特的電力推進系統，主要利用高性能無刷直流電動機和鋰聚合物電池來驅動其渦輪泵。可以說是緊隨美國宇航局NASA令業界轟動的3D列印渦輪泵之後。

引擎的關鍵部件是由瑞典Arcam（Arcam已被GE收購）的設備製造出來的，3D科學谷了解到5000磅重的盧瑟福引擎的關鍵部件幾乎全部由3D列印完成，發動機依賴於電力推進循環。推力室、閥門殼體、噴嘴、渦輪泵都是通過Arcam的電子束熔化鈦合金列印技術。鋰聚合物電池被用來驅動無刷直流電動機，然後將液態氧和煤油送到燃燒室。

Blue Origin

Blue Origin採用3D列印技術來列印BE-4火箭發動機的殼體、渦輪、噴嘴、轉子。BE-4是以液化天然氣為燃料的新一代火箭發動機。BE-4除了主泵提供的推力，還通過幾個「升壓」渦輪泵，混合液態氧和天然氣從而提供500000磅的推力。3D列印在發動機的生產中發揮了關鍵作用，更令人大開眼界。Blue Origin的Ox Boost Pump增壓泵（OBP）設計利用增材製造技術製造出許多關鍵部件，從單一的3D列印鋁件，到鎳合金液壓渦輪。增材製造方法允許集成複雜的內部流道到設計中，這是難以通過傳統製造技術製造出來的。渦輪噴嘴和轉子也通過3D列印出來，僅僅需要很小的後期加工就可以滿足精度要求。

除了Blue Origin新的格倫New Glenn火箭發射器， BE-4火箭發動機還可以被用在火神火箭發射器上，該火箭發射器是由聯合發射聯盟（ULA）開發的。

盤類、環類、葉片、軸類和殼體部件

NASA

NASA通過美國俄勒岡州的Metal Technology（MTI）公司為NASA旗下的Johnson太空中心生產Inconel 718合金部件。Inconel 718合金在650度以下的屈服強度居變形高溫合金的首位,並具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能。

Inconel 718合金組織對熱加工工藝特別敏感，加工者需要掌握合金中相析出和熔化規律及組織與工藝、性能間的相互關係，來開發出可行的工藝，才能製造出滿足不同強度級別和使用要求的零件。Inconel 718合金的盤類、環類、葉片、軸類和殼體部件被用於下一代火箭發動機零部件。

氧化劑閥體

SpaceX

2017年1月，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發射了一枚獵鷹9號火箭，獵鷹9號火箭上含有大量的3D列印零件，包括關鍵的氧化劑閥體，3D列印的閥體成功操作了高壓液態氧在高震動情況下的正常運行。與傳統鑄造件相比，3D列印閥體具有優異的強度、延展性和抗斷裂性。並且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D列印閥體在兩天內就完成了。經過後加工處理的3D列印閥體經過廣泛的測試程序–包括嚴格的發動機點火系列、部件級資格測試和材料測試才被納入獵鷹9號火箭的標準零件。

電火箭發動機

Rocket Lab

2015年4月，一家私人持股的航天公司Rocket Lab宣布，該公司開發的世界上第一個用電池做動力的火箭——Electron發射系統（Electron Launch System）正式面世。該火箭使用碳複合材料作為主體，主要用於發射小型衛星進入地球軌道。火箭上使用了電動電Rutherford發動機，值得一提的是這部發動機的所有主要部件都是3D列印的，包括其發動機腔室、泵、主推進劑閥和噴射器等。

AMDE計劃

美國航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心承擔了許多著名的外太空探索任務，馬歇爾太空飛行中心已經參與了20多年的增材製造技術實踐，該飛行中心已經安裝和使用了5年多Concept Laser （Concept Laser已被GE收購）的設備。

NASA與2012年啟動了AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材製造驗證機的計劃，3D科學谷了解到原因是因為NASA認為3D列印在製造液態氫火箭發動機方面頗具潛力。在3年內，團隊通過增材製造出100多個零件,並設計了一個可以通過3D列印來完成的發動機原型。而通過3D列印，零件的數量可以減少80%，並且僅僅需要30處焊接。

關於3D列印在火箭發動機方面的應用，更系統化的介紹，敬請期待3D科學谷的白皮書系列。（加入3D科學谷QQ群隨時下載最新白皮書。）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！