左 蔚,宋夢華,楊歡慶,陳新紅
(1.西安航天發(fā)動機有限公司,陜西 西安 710100;2.國防科技工業(yè)航天特種構件增材制造技術創(chuàng)新中心,陜西 西安 710100)
當前,空間技術的飛速發(fā)展對運載火箭提出了更高的要求,一方面,液體火箭發(fā)動機中金屬構件朝著復雜、薄壁、整體化和輕量化、高可靠的方向發(fā)展;另一位方面,傳統(tǒng)的航天研究機構和新興的商業(yè)航天公司為爭奪國際發(fā)射市場,特別重視新型號發(fā)動機研制周期和成本的降低。
金屬材料的增材制造技術,作為當前最新最先進的制造技術之一,采用模型降維、積分加工的理念,可一次、快速地近凈成形出一體化構件,無需焊接等裝配環(huán)節(jié);同時其快速/近快速凝固組織亞結(jié)構細小,不存在明顯的偏析,產(chǎn)品的力學性能優(yōu)異,多數(shù)能接近同成分鍛件標準,服役性能可靠。此外,一些新型的先進結(jié)構,如周期性點陣結(jié)構,借助增材制造技術可大規(guī)模制備,在發(fā)動機中應用可實現(xiàn)輕量化、隔熱保溫、減震降噪、防沖擊、發(fā)汗冷卻、催化反應等多種功能,真正實現(xiàn)發(fā)動機材料—結(jié)構—功能一體化設計。
研究國外航天企業(yè)金屬增材制造應用現(xiàn)狀、技術路線和發(fā)展趨勢,認清我國液體動力領域增材制造存在的差距,對自身制造技術水平的提高和設計—制造思維理念的轉(zhuǎn)化具有重要的參考和借鑒作用。
美國是將增材制造技術應用于液體火箭發(fā)動機最早也是應用最廣泛的國家。除了傳統(tǒng)的政府機構NASA和火箭發(fā)動機公司普惠洛克達因外,近些年來新興的商業(yè)航天公司如太空探索技術公司(SpaceX)、藍色起源(Blue Origin)也將研發(fā)重點投入到金屬材料的增材制造研究及其在發(fā)動機工程化應用上來。此外,歐洲的空客防務與航天公司、新西蘭Rocket Lab公司也開展了增材制造在火箭發(fā)動機中的應用研究。
2013年3月普惠·洛克達因公司使用激光選區(qū)熔化成形(SLM)技術制造了J-2X 火箭發(fā)動機渦輪泵排氣孔蓋,并在極端環(huán)境下成功進行了發(fā)動機點火試驗,這是全尺寸發(fā)動機首次使用增材制造零件[1]。該試車的成功驗證了增材制造產(chǎn)品在液體火箭發(fā)動機上應用的可行性,為增材制造在液體火箭發(fā)動機領域工程化應用奠定了基礎。
隨后,普惠·洛克達因公司又進行了噴注器SLM制造的嘗試。
土星五號F-1火箭發(fā)動機燃氣發(fā)生器噴注器由噴注環(huán)、噴注盤等十余個零件組成,制造工序多,可靠性難以保證。2009年普惠·洛克達因公司使用SLM技術制造該噴注器,對其進行了集成設計,零件數(shù)量僅為1個,從而省去了電鍍、釬焊及機加等工序,大大提高了產(chǎn)品可靠性[2]。
除了土星五號F-1火箭發(fā)動機,洛克達因公司還在AR1發(fā)動機以及SLS發(fā)動機上進行了噴注器SLM制造的嘗試。洛克達因公司首先于2015年初成功進行了單噴嘴的SLM成形,隨后又嘗試了噴注器的整體成形,并通過了AR1發(fā)動機試車考核。同年,洛克達因公司與NASA合作,成功制造了SLS發(fā)動機噴注器,前后共試車11次,累積試車時間46秒,如圖1所示。
相比傳統(tǒng)加工技術,SLM制造可顯著縮短加工周期、降低成本,例如F-1發(fā)動機噴注器使用SLM制造后,加工時間節(jié)省60%,制造成本降低70%,重量減輕4.08 kg;使用傳統(tǒng)方法制造SLS發(fā)動機噴注器需要6個月時間,而使用SLM制造,從成形、拋光到無損檢測僅用40 h,同時制造成本降低50%。此外,傳統(tǒng)加工工藝需要十幾個零件分體制造,而SLM制造可以實現(xiàn)噴注器一體化成形,減少工序提高可靠性的同時,減輕了噴注器的重量[2]。
由于銅合金良好的導熱性能,液體火箭發(fā)動機中大量使用以銅合金為內(nèi)壁的再生冷卻夾層結(jié)構,但由于銅合金具有高熱導率、高反射率的特點,其激光增材制造制造成為國內(nèi)外研究的難點和熱點。洛克達因公司開展了大量銅合金推力室的激光增材制造技術研究,并與其他增材制造的零部件如噴注器等組成一臺完整的發(fā)動機成功進行了熱試車考核[3]。
2017年4月5日迄今為止世界上最大的銅合金全尺寸推力室(圖2)進行了熱試車考核,洛克達因?qū)⒑罄m(xù)用該推力室取代當前的RL-10C發(fā)動機不銹鋼管束式推力室,獲得更優(yōu)的冷卻性能,同時提高發(fā)動機可靠性。
圖2 洛克達因公司測試3D打印銅合金推力室Fig.2 3D printed copper alloy thrust chamber tested in Rocketdyne
此外,洛克達因公司還在增材制造整機方面做了大量研究。
2014年12月15日對打印出的MPS-120整個衛(wèi)星微推進系統(tǒng)進行試車考核,包括推進劑系統(tǒng)組件、推力室、活塞及推進劑貯箱。相比傳統(tǒng)加工方式,制造周期縮短至僅一個星期,制造能力提高5倍以上。這是首個通過增材制造的肼推進系統(tǒng),技術成熟度和制造成熟度高達6級,準備后續(xù)用于立方星(CubeSat)的微推進。此外,洛克達因公司還借助增材制造技術研發(fā)了MPS-110,MPS-130,MPS-120XW,MPS-120XL及MPS-160系列微推進系統(tǒng)[4]。
同年,完全使用增材制造的發(fā)動機Baby Bantam通過試車考核,該發(fā)動機使用液氧煤油作為推進劑,推力僅2.3 t,是Bantam系列發(fā)動機中推力最小的。整臺發(fā)動機僅由3個零件組成,研制成本減少65%[2]。
為了突破一批關鍵典型結(jié)構件的增材制造工藝,驗證增材制造在新型號發(fā)動機研制中的應用可行性,NASA提出了“增材制造驗證發(fā)動機(Additive Manufacturing Demonstrator Engine,簡稱AMDE)”計劃。AMDE計劃提出將發(fā)動機研制模式從傳統(tǒng)的“分析-制造-測試”串行研制模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺治?制造/測試”并行研制模式,從而顯著縮短研制周期,提高增材制造部件的技術成熟度,預計僅用兩年半的時間研制出低成本的上面級空間發(fā)動機。
AMDE計劃中的RS-25發(fā)動機Pogo Z彈簧隔板、渦輪泵誘導輪、柔性接頭在使用增材制造后[5],加工周期和研制成本較傳統(tǒng)加工方式均有顯著降低,其中Pogo Z彈簧隔板減少64%制造成本和75%加工時間,誘導輪減少50%制造成本和80%加工時間,柔性接頭經(jīng)優(yōu)化設計后零件數(shù)量從45個減少到17個,焊縫從70多條減少到26條,大大提高了可靠性。使用增材制造實現(xiàn)了誘導輪-離心輪、一二級葉輪的一體化成形。
在AMDE計劃中,NASA探索了增材制造噴注器工藝,對液氧甲烷發(fā)動機雙組元離心式噴注器進行結(jié)構優(yōu)化以滿足增材制造工藝要求,如圖3所示將切向孔方向與噴嘴軸線夾角改為45°,外底、中底和噴嘴合為一體,僅銅內(nèi)底需后續(xù)釬焊裝配,零件數(shù)量減到2個,產(chǎn)品成功通過熱試車考核[6]。
圖3 NASA測試液氧甲烷發(fā)動機雙組元離心式噴注器Fig.3 3D printing bipropellant centrifugal injector for LOX/CH4 engine made in NASA
除了AMDE計劃,NASA還在2015年啟動了《低成本上面級推進系統(tǒng)課題研究(Low Cost Upper Stage Propulsion task,簡稱LCUSP)》[7],該課題由航天技術任務董事會下的“NASA顛覆性發(fā)展項目”贊助。LCUSP提出一種“組合增材制造技術”,即使用激光選區(qū)熔化成形技術(SLM)成形GRCop-84銅合金推力室夾層結(jié)構,隨后借助電子束自由制造(EBF)方式在銅外壁通過電子束熔化絲材成形Inconel 625鎳基高溫合金外壁。這種銅-鎳結(jié)構用于取代傳統(tǒng)旋壓+機加+釬焊方式,制造成本降低75%,大幅縮減研發(fā)周期,也有助于提高發(fā)動機可靠性。2015年耗時10天零18個小時制造了世界上第一個全尺寸的銅質(zhì)推力室,在NASA蘭利研究中心成形高溫合金外壁后,順利通過后續(xù)熱試車考核。在此過程中,研究團隊攻克了銅-鎳基高溫合金界面缺陷控制、高溫合金外壁電子束成形路徑優(yōu)化等難題,保證了產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量,減小了殘余應力(圖4)。該項目同樣資助了燃燒室、噴注器的激光選區(qū)熔化成形。
圖4 NASA 低成本上面級計劃及全尺寸銅合金推力室Fig.4 LCUSP plan of NASA and full-scale copper alloy thrust chamber
在LCUSP計劃研究成果的基礎上,NASA不斷提高SLM成形銅合金的技術成熟度,推出了一系列產(chǎn)品,包括上面級液氧甲烷發(fā)動機,如圖5所示。
圖5 NASA 增材制造液氧甲烷發(fā)動機銅合金推力室Fig.5 3D printing LOX/CH4 copper alloy thrust chamber made in NASA
此外,NASA還探索了微小槽的增材制造工藝,成功成形出0.76~1.57 mm的再生冷卻通道,產(chǎn)品順利通過液流和熱試車考核,并應用于Morpheus發(fā)動機推力室,制造周期縮短11個星期,制造成本降低30%[6]。
NASA還將增材制造技術用于渦輪泵轉(zhuǎn)動件。2015年試車的增材制造上面級氫泵服役溫度在-240 ℃,轉(zhuǎn)速范圍為500 00~920 00 r/min,單件產(chǎn)品累計試車250 s[6]。2016年測試了增材制造的甲烷渦輪泵,零件數(shù)量減少45%,工作環(huán)境為-159 ℃,可以產(chǎn)生447.42 kW,轉(zhuǎn)速高達36 000 r/min,通過了6次試車考核,表現(xiàn)良好[8]。
2015年6月空客測試了世界上第一個增材制造鉑銠合金推力室,共進行618次點火,累積試車時間超過1 h。
從2013年起與GKN航空航天公司合作開發(fā)阿里安6上面級Vulcain 2發(fā)動機噴管的新型成形工藝,使用激光焊代替釬焊制造銑槽式再生冷卻結(jié)構,同時實現(xiàn)了噴管收擴段夾層外壁和擴張段加強箍的送絲式激光熔化沉積(LMD)成形。噴管出口直徑2.5 m,超過15 000 m的Inconel 625高溫合金絲材被沉積在噴管上,零部件數(shù)量減少90%,降低了40%的成本和30%的交付時間,產(chǎn)品已成功進行兩次熱試車考核[9]。
圖6 GKN與空客合作3D打印Vulcain 2發(fā)動機噴管Fig.6 3D printing Vulcain 2 engine nozzle from collaboration of GKN and Airbus
噴注器的制造水平影響著整臺發(fā)動機霧化、混合及燃燒質(zhì)量,為有效防止串腔,提高噴注器工作可靠性,最優(yōu)的成型方案是在保證復雜流路尺寸精度及表面質(zhì)量要求下整體成型。由于產(chǎn)品結(jié)構復雜、流體性能要求嚴格,使用增材制造難度極大??湛凸緦υ霾闹圃彀⒗锇?上面級Vulcain 2發(fā)動機燃氣發(fā)生器噴注器做了細致的研究[10-11]。對噴注器設計(噴嘴孔徑)不斷迭代優(yōu)化,依次進行了單噴嘴液流試驗、試件點火試驗以及全尺寸液流試驗。結(jié)果表明優(yōu)化設計后的噴嘴無需經(jīng)過后續(xù)表面光整處理即可滿足流阻、壓降要求,燃燒效率與以往機加方案相當,這對增材制造研制整體噴注器具有重大啟迪意義。圖7為研究邏輯圖。在此研究的基礎上,空客公司進一步研究了增材制造的噴注器小孔優(yōu)化設計前后噴霧特性,并與傳統(tǒng)機械加工的噴嘴液流試驗進行對比,結(jié)果表明三者相差不大,增材制造的噴嘴無需進行結(jié)構形式上的優(yōu)化設計和表面光整處理即可滿足液流要求。部分研究成果見圖8,并被進一步應用于Vulcain 2發(fā)動機燃氣發(fā)生器和Prometheus上面級、Vinci上面級發(fā)動機推力室噴注器[12]。
圖7 空客3D打印Vulcain 2 GG噴嘴發(fā)展邏輯Fig.7 Development logic of 3D printing Vulcain 2 GG injector made in Airbus
空客與3D SYSTEM公司合作,開發(fā)了新型衛(wèi)星推進器輻射冷卻噴管(圖9),這是點陣結(jié)構首次應用于液體火箭發(fā)動機的報道,隨后澳大利亞莫納什大學也推出一種輕量化火箭發(fā)動機噴管,在減重同時增大了輻射冷卻面積,實現(xiàn)高效換熱。
在當下競爭激烈的國際航天發(fā)射市場,私營商業(yè)航天公司異軍突起,借助增材制造技術加快新型號的研發(fā)和應用。
2013年SpaceX公司成功通過EOS激光選區(qū)熔化設備制造龍飛船SuperDraco發(fā)動機[13],該發(fā)動機是龍飛船發(fā)射中止系統(tǒng)(LAS)的重要裝置,能在龍飛船發(fā)射失敗時幫助宇航員逃逸,單臺最大推力為6.8 t,推力可在20%~100%調(diào)節(jié)并多次啟動,共有8臺。目前已進行80次熱試車,總時間超過300 s。 SLM成形獵鷹9號火箭merlin1D發(fā)動機主氧化劑閥門(MOV),周期從數(shù)月縮短至不到2 d,最終于2014年1月6日飛行。這是SpaceX公司的增材制造產(chǎn)品首次通過飛行考核[13]。在2016年最新推出的世界上第一款“全流量分級燃燒循環(huán)”300 t級液氧甲烷發(fā)動機猛禽Raptor中,推進劑閥、渦輪泵和噴注器組件采用增材制造,占發(fā)動機總重30%,已通過試車考核。
圖8 空客研發(fā)3D打印噴注器Fig.8 3D printing injector developed by Airbus
圖9 周期性點陣材料應用于火箭發(fā)動機推力室Fig.9 3D printed lattice material applied to thrust chamber
藍色起源公司推出BE-4液氧甲烷發(fā)動機,其中氧增壓泵(殼體為鋁合金,葉輪為鎳基高溫合金)、渦輪噴嘴和轉(zhuǎn)子均使用增材制造。圖10為spacex與A藍色起源公司增材制造的產(chǎn)品。
新西蘭商業(yè)火箭公司Rocket Lab推出了世界上首枚使用電動泵的火箭Electron,其Rutherford液氧甲烷發(fā)動機中使用電子束選區(qū)熔化(EBM技術)完成了發(fā)動機燃燒室、泵、閥門和噴注器的制造(圖11),于2017年5月25日進行了飛行考核,一二級成功分離,但最終未能將有效載荷送至近地軌道。
Vector Space System公司開發(fā)造價100萬美元的微型商業(yè)運載火箭,其中液氧丙烯發(fā)動機噴注器采用整體增材制造成形,2016年12月試車成功,2017年6月火箭首飛成功。
國內(nèi)以國防科技工業(yè)航天特種構件增材制造技術創(chuàng)新中心主依托單位-西安航天發(fā)動機有限公司為代表的增材制造工程化應用優(yōu)勢企業(yè)也及時開展了激光選區(qū)熔化和激光熔化沉積兩種增材制造工藝技術研究和成形產(chǎn)品的工程化應用,突破并實現(xiàn)了增材制造技術在中國航天液體動力制造中的應用。
圖10 SpaceX 3D打印Super Draco和藍色起源公司部分產(chǎn)品Fig.10 3D printing SuperDraco partial products made by SpaceX and Blue Origin
圖11 Rocket Lab 3D打印Rutherford液氧甲烷發(fā)動機Fig.11 3D printing Rutherford LOX/methane engine made by Rocket lab
2016年9月,裝配增材制造離心輪的18 t液氧煤油發(fā)動機成功進行長程試車,這是國內(nèi)首次應用了增材制造技術制造高速轉(zhuǎn)動件通過試車考核;2016年11月3日CZ-5運載火箭首飛成功,遠征二號上面級發(fā)動機中的起動器、發(fā)生器出口管采用增材制造技術制造,這是增材制造產(chǎn)品首次助力我國航天液體動力實現(xiàn)飛天夢想。2017年6月15日增材制造的排氣管保障了新型上面級發(fā)動機的成功首飛,將我國首顆X射線空間天文望遠鏡送人太空。
西安航天發(fā)動機有限公司還將增材制造技術應用到液氧煤油發(fā)動機導流珊,某姿控發(fā)動機TC4常平環(huán)、某型運載火箭發(fā)動機噴注器隔板加強肋,RBCC燃燒室頭部和身部、火星探測器巡視器法蘭框及某姿控發(fā)動機噴注器殼體、輕量化點陣結(jié)構支板等關鍵零件研制上部分產(chǎn)品已實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
在重型運載火箭液氧煤油發(fā)動機研制方面,增材制造技術也發(fā)揮了巨大優(yōu)勢,在120 t液氧煤油發(fā)動機離心輪研制技術積累上實現(xiàn)了重載液氧一級泵、二級泵離心輪的激光增材制造,同時探索出航天專用材料S-04鋼的激光熔化沉積工藝和熱處理工藝,對材料力學性能進行了充分挖潛,順利成形出了我國首個液體火箭發(fā)動機大尺寸關鍵承力構件常平環(huán)毛坯,與鍛坯相比加工周期縮短80%,材料利用率提高70%(圖12)。
首都航天機械公司于2015年10月采用SLM技術成形出某型號發(fā)動機篩孔渦流器,并順利通過流量試驗考核,隨后也突破了氫氧發(fā)動機鈦合金葉輪SLM成形技術,北京動力機械研究所以新型航天發(fā)動機渦輪泵研制為背景,針對核心零件油冷渦輪葉片軸轉(zhuǎn)子開展增材制造技術工程應用研究,成形出的復雜狹長內(nèi)通道轉(zhuǎn)子換熱效率提高90%,解決了渦輪泵高溫熱防護技術難題,產(chǎn)品順利通過高溫考核試驗。
液體火箭發(fā)動機中許多關鍵部件具有異種材料夾層結(jié)構,如推力室、燃氣發(fā)生器身部及蒸發(fā)器等。傳統(tǒng)“機加+釬焊”的工藝方法存在周期長、成本高、可靠性低等不足[10]。NASA創(chuàng)造性的采用“SLM+EBF”的組合增材制造技術制造銅-鎳基高溫合金推力室,為異種材料夾層結(jié)構零件的成形提供了新的技術途徑,并展示了顯著優(yōu)勢?!敖M合”的思想也為我們提供了更多的啟迪。增材制造技術包含多種成形技術(如SLM,EBF,LMD,WAAM等),每種技術既具有自身的優(yōu)勢也存在各自的弊端。不局限于“SLM+EBF”的組合方法,對現(xiàn)有增材制造技術“組合”的積極探索將能夠打破單一技術的桎梏,拓寬增材制造技術的使用范圍。另外,增材制造技術具有開放性,也能夠與其他傳統(tǒng)工藝方法“組合”。例如在鑄造和鍛造等制造過程中,將易產(chǎn)生缺陷、難以加工的部位預先去除,后期通過增材造的方法實現(xiàn)此類部位的成形,將能夠有效提升傳統(tǒng)工藝的合格率與可靠性,實現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化。
國外知名航天企業(yè)均采用增材制造成形出了噴注器,并通過熱試車考核,其中一些企業(yè)的技術路線頗具借鑒意義。洛克達因公司經(jīng)歷了多噴嘴噴注器試車、集成化噴注器試車及一體化推力室試車的增材制造發(fā)展路線;從多篇空客防務與航天公司在歐洲宇航大會上發(fā)表的會議論文可以看出,一體化噴注器的制造工藝路線是:噴注器基于增材制造的優(yōu)化設計、單噴嘴液流試驗、縮比件點火試驗及全尺寸液流試驗。其過程是個閉環(huán)、反復迭代優(yōu)化的過程,最終成形的一體化噴注器無需表面光整后處理即可滿足流阻系數(shù)、壓降、燃燒效率等要求。增材制造的工藝特性決定了其表面粗糙度不能與機械加工相比,但可以通過同時調(diào)整設計、優(yōu)化工藝的方法最終到達預期效果。
立方星作為未來微小衛(wèi)星發(fā)展趨勢之一,增材制造能很好地適應其尺寸小、模塊化、研制周期短等特點。立方星微推進系統(tǒng)借助增材制造可快速實現(xiàn)輕量化結(jié)構功能件的成形和驗證,甚至實現(xiàn)一次打印出僅為一個零件的整套推進系統(tǒng)。洛克達因公司借助增材制造技術實現(xiàn)了其MPS立方星推進系統(tǒng)系列化的快速研制和迭代優(yōu)化,對我國發(fā)展推動立方星的工程化具有一定啟發(fā)作用。
周期性多孔點陣結(jié)構屬于多孔材料的一種,由數(shù)量眾多的微桁架結(jié)構元胞組成,單個孔隙尺寸為毫米級甚至微米級且可調(diào)控,既可作為結(jié)構使用經(jīng)典結(jié)構力學方法研究,也可作為連續(xù)介質(zhì)材料來分析。三維點陣結(jié)構具有輕質(zhì)高強、防沖擊、減振降噪、隔熱保溫、散熱、生物相容等特點,同時將上述兩種以上功能相結(jié)合可實現(xiàn)多功能用途[15]。傳統(tǒng)制備工藝熔模鑄造、擠壓法、組裝-釬焊法及三維編織法等,存在工序多、周期長、成本高及可靠性難以保證等問題,制約了該結(jié)構的推廣應用,而激光增材制造技術和專用設計軟件使該種結(jié)構的設計和大規(guī)模制備得以實現(xiàn)。
周期性多孔點陣結(jié)構在液體火箭發(fā)動機上具有一定的應用前景:
1)上面級發(fā)動機總裝直屬件減重。點陣結(jié)構可被認為是一種對微實體進行拓撲優(yōu)化并陣列的輕量化結(jié)構,低孔隙率點陣可承受一定的壓縮和剪切載荷。若用于上面級發(fā)動機機架、常平環(huán)等力學環(huán)境單一結(jié)構件可以提高發(fā)動機推重比,并且1:1地提高有效載荷重量。
2)作為熱端冷卻材料。使用增材制造技術制備的高熔點低孔隙率點陣可以作為發(fā)汗冷卻的基體,隨后在內(nèi)部加入低熔點金屬粉末顆粒得到冷卻劑;周期性點陣結(jié)構可設計為通孔孔隙,冷卻介質(zhì)流經(jīng)通孔即達到發(fā)汗冷卻目的,且相比于銑槽具有更好的剛度。
美國普惠洛克達因公司、NASA、太空探索技術公司(SpaceX)、藍色起源公司、Rocket Lab公司、空客防務與航天公司及西安航天發(fā)動機有限公司等國內(nèi)外航天企業(yè)和科研機構將增材制造技術大量應用于液體火箭發(fā)動機研制。本文對其產(chǎn)品成形工藝、技術路線、發(fā)展趨勢進行了介紹,分析了其對我國開展增材制造成形銅鋼再生冷卻夾層結(jié)構、一體化噴注器、立方星微推進系統(tǒng)等精密復雜特種構件的啟示,并對輕質(zhì)高強多孔點陣材料在液體火箭發(fā)動機上的應用進行了展望,為增材制造技術更好應用于航天液體動力提供新的解決思路和方法。
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