2020年5月26日，歐洲航天局（ESA）在德國航空中心（DLR）對一個完全增材制造的火箭推力室進行了熱試車。第一次測試持續(xù)了30秒，預計在本周內(nèi)進行其他測試。ESA將對測試數(shù)據(jù)進行收集與分析。

集成冷卻流道

根據(jù)ESA, 進行測試的3D打印推力室僅有三個零件，可為未來火箭的上層提供動力。增材制造推力室零件數(shù)量由數(shù)百個減少的三個，縮短了生產(chǎn)時間，降低了成本，顯著提高液體推進發(fā)動機在歐洲運載火箭中的競爭力。

進行測試的全尺寸推力室具有3D打印銅合金襯里，該襯里具有集成的冷卻通道，其外層為冷氣噴涂建立的高強度外套。3D打印推力室的歧管和整體式噴油也是增材制造的。這些3D打印零件的生產(chǎn)和測試工作已在ESA的“未來發(fā)射器”準備計劃中進行。

ESA 總共對ETID進行了23次測試，總運行時間為2707s。在測試期間，達到了49個不同的工作點，包括測試“極端”狀態(tài)下的行為，例如增加系統(tǒng)中冷氫的流量，并因此在運行期間對硬件進行“過冷”冷卻。測試顯示了ETID設計的多功能性，并可在較寬的混合比和腔室壓力范圍內(nèi)運行。多個工作點也將有助于校準，用于設計后續(xù)發(fā)動機并預測其性能的數(shù)值模型。

Review

今年5月以來，我們接連看到了航天3D打印應用所取得的矚目成績。

北京時間5 月 31 日，SpaceX 最新的載人龍飛船在美國肯尼迪航天中心 39A 發(fā)射臺成功發(fā)射。運載火箭獵鷹9號和載人龍飛船以及兩名宇航員頭盔的制造中，3D打印都發(fā)揮了重要作用。

3D打印已成為航天制造領域的一項核心技術，對此已無需多言。尤其是在火箭發(fā)動機制造領域，3D打印已成為航天制造機構搶灘下一代經(jīng)濟性、可重復利用火箭發(fā)動機的重要“籌碼”。在ESA 近日試車中涉及到的3D打印推力室，是火箭發(fā)動機增材制造的一條關鍵競爭賽道。

l “百家爭鳴”之勢

銅合金推力室部件

美國航天局（NASA）在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進展，制造技術也是選區(qū)激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項技術制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進行逐層打印，打印時間為10天零18個小時。2019年，NASA 又公布了一種新型銅合金3D打印材料GRCop-42，這是一種高強度，高導電率的銅基合金材料，可用于生產(chǎn)近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內(nèi)襯和燃料噴射器面板。

集成百余條冷卻流道

2019年，中國的深藍航天液氧煤油發(fā)動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優(yōu)化設計，大量采用3D打印工藝，實現(xiàn)了國內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。

鉑力特承擔了此次試車發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D打印工作。發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動機關鍵零部件，使用環(huán)境苛刻，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道，使用傳統(tǒng)工藝銑削、焊接工藝不僅制造周期長、成本高，零件性能也難以得到保證。

控制內(nèi)部冷卻通道表面粗糙度

年輕的航天企業(yè)Rocket Lab在火箭發(fā)動機推力室制造領域進行了知識產(chǎn)權布局。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，在相關專利中，Rocket Lab強調(diào)了選區(qū)激光熔化技術控制火箭發(fā)動機冷卻劑流動通道表面粗糙度的獨特能力：

首先，增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)出小的凸塊特征，脊，突起，凹谷等設計，這些特征用于在冷卻劑流動通道的特定區(qū)域中提供局部變化。

以上幾個3D打印案例，雖只是航天發(fā)動機增材制造賽道中的冰山一角，但仍能看到，使用激光選區(qū)熔化技術進行增材制造時，冷卻通道直接成為了整體設計中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個腔體一起成型，這也是3D打印應用到推力室以及其他熱管理領域的魅力。