全球3D打印火箭發(fā)動機匯總

南極熊導讀：眾所周知，3D打印技術在航空航天領域的應用已然司空見慣，這其中就包括諸如火箭等大型設備的開發(fā)與制造。那你知道全球有多少家火箭制造商采用了3D打印技術嗎？他們的制造水平又到了何種程度？要知道，大多數(shù)航空航天相關企業(yè)已開始進行相關研究，以實現(xiàn)全3D打印的火箭。南極熊在這里就為大家匯總了國內(nèi)外3D打印火箭發(fā)動機的案例，以供參考。

1、中國深藍航天

2021年7月，深藍航天“星云-M”1號試驗火箭在陜西銅川深藍航天試驗基地完成了“星云-M”1號試驗火箭首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）的自由飛行試驗（又稱“蚱蜢跳”），首飛試驗任務圓滿成功。

執(zhí)行本次飛行的“星云-M”1號試驗箭配套了由深藍航天自主研制的“雷霆-5”型液體火箭發(fā)動機（簡稱：LT-5），是國內(nèi)首型使用3D打印技術制造的針栓式電動泵液氧煤油發(fā)動機�！袄做�-5”型液體火箭發(fā)動機真空推力最大為50kN，發(fā)動機能夠實現(xiàn)50%-110%推力區(qū)間調(diào)節(jié)；同時，LT-5采用了電動泵調(diào)節(jié)推進劑流量，針栓式噴注器可自動維持不同工況下的穩(wěn)定燃燒。目前正在研制中的新型發(fā)動機同樣選擇了經(jīng)過驗證的3D打印技術和后處理工藝，新交付的發(fā)動機結構部件最大尺寸達到600mm×600mm×600mm。

2、馬斯克的SpaceX

2017年1月14日當?shù)貢r間，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發(fā)射了一枚獵鷹9號火箭，其中采用了大量的3D打印零件，包括關鍵的氧化劑閥體，3D打印的閥體成功操作了高壓液態(tài)氧在高震動情況下的正常運行。與傳統(tǒng)鑄造件相比，3D打印閥體具有優(yōu)異的強度、延展性和抗斷裂性。并且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D打印閥體在兩天內(nèi)就完成了。設計是個快速迭代的過程，這為SpaceX搶占時間和快速優(yōu)化設計提供了極佳的便利條件。

除了獵鷹9號火箭，SpaceX于2013年就成功通過EOS金屬3D打印機制造SuperDraco火箭發(fā)動機引擎室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統(tǒng)的發(fā)動機制造技術相比，使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發(fā)動機的交貨期和并降低制造成本，而相比傳統(tǒng)制造發(fā)動機的成本，而且可以實現(xiàn)“材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優(yōu)良屬性。這是一種非常復雜的發(fā)動機，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)都很難制造。EOS能夠打印非常高強度的先進合金，是創(chuàng)造SuperDraco發(fā)動機的關鍵。

3、中國航天六院增材制造火箭發(fā)動機推力室隔板加強肋

2021年6月17日，長征二號F遙十二運載火箭托舉著載有三名航天員的神舟十二號載人飛船沖向太空。作為我國唯一的大型液體火箭發(fā)動機研制生產(chǎn)廠，7103廠生產(chǎn)制造了該火箭所用芯一級發(fā)動機、二級發(fā)動機、助推器發(fā)動機，并采用3D打印技術制造相關零件，實現(xiàn)了發(fā)動機更可靠，效率速度雙提升。

7103廠增材制造創(chuàng)新中心主任楊歡慶介紹，發(fā)動機推力室隔板加強肋是其中之一。加強肋是發(fā)動機隔板夾層內(nèi)流通道的關鍵構件，主要用于保證發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。該產(chǎn)品之前采用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)，有29個工藝流程，配套設備多且依賴性強，合格率不足20%。通過3D打印技術替代熔模精密鑄造工藝，加強肋的制造周期縮短了75%，合格率提升至98%，成本降低30%，且產(chǎn)品多項性能指標接近甚至超過傳統(tǒng)鑄件歷史最高值。

4、NASA 3D打印銅合金燃燒室高強耐氫合金噴管

NASA于2020年12月9日發(fā)布官方聲明，其3D打印銅合金燃燒室和高強度耐氫合金火箭發(fā)動機零件通過了23次點火測試。經(jīng)過2020年11月的一系列點火試驗，NASA證實了兩個增材制造的發(fā)動機部件——銅合金燃燒室和由高強度耐氫合金制成的噴管，可以承受在飛行中傳統(tǒng)制造的金屬結構所經(jīng)歷的相同極端燃燒環(huán)境。

NASA通過DED定向能量沉積增材制造工藝在GRCop-42銅腔室的后端沉積雙金屬材料，形成高強度鐵鎳超合金軸向接頭的火箭推力室噴管，并實現(xiàn)連續(xù)冷卻，從而解決了一些設計挑戰(zhàn)和螺栓連接設計的接口問題，隨后通過碳纖維聚合物基復合材料（PMC）外包裝將整個推力室總成（TCA）進行外包裝。

NASA制造火箭推力室的燃燒室所用的銅合金GRCop-42是一種高導電性、高導熱性、高強度的合金，有望用于腔室襯里，這帶來高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強度溫度區(qū)域中。NASA開發(fā)了生產(chǎn)封閉壁銅合金襯里的能力，使復合材料成為腔室護套作為可行且理想的選擇。

5、印度SkyrootAerospace公司全3D打印低溫火箭發(fā)動機

2020年9月28日，在印度著名火箭科學家Satish Dhawan博士誕辰100周年之際，Skyroot Aerospace公司推出了第一臺帶100％3D打印噴油器的火箭發(fā)動機——Dhawan-1，并配置在其Vikram I運載火箭上進行了成功測試。

據(jù)悉，Skyroot成立于2018年，其團隊由之前曾在印度空間研究組織(ISRO)工作過的火箭工程師組成。Skyroot目前專注于開發(fā)其首款Vikram I運載火箭，3D打印也是整體火箭制造技術的關鍵部分，該公司稱通過3D打印技術可將發(fā)動機質量降低50%，并減少其構造所需的零部件，且將其生產(chǎn)的交貨時間縮短了80%。

Skyroot下一步將對正在研發(fā)的火箭的兩個完整階段進行試射，該公司還同時在開發(fā)下一代運載火箭Vikram-2和Vikram-3，這些運載火箭將在2022年至2023年之間的某個時間點問世，并與現(xiàn)有的更大的拼車式火箭具有成本競爭力。

△Skyroot全系列發(fā)動機

與傳統(tǒng)制造相比，該引擎能夠多次重啟，使他們能夠在一次任務中將各種衛(wèi)星插入多個軌道。關于通過3D打印技術制造3D打印注射器，除金屬外，Skyroot還在3D打印過程中使用特殊材料，Skyroot期待將3D打印應用到Vikram-2火箭中。

6、德國航天中心3D打印火箭噴油器

在液氧/煤油發(fā)動機噴油器部件方面，早在2018年，德國航天中心DLR與3D Systems客戶創(chuàng)新中心CIC合作，設計了一個3D打印噴射器，以此來實現(xiàn)新性能。

火箭發(fā)動機的噴射器是燃料和氧化劑進入燃燒室的部分。成功的液體火箭燃料噴射器以特定方式推動部件，確保其霧化和適當混合，產(chǎn)生移動火箭所需的燃燒。

通過使用金屬3D打印，DLR能夠徹底改變同軸噴射器的設計方法，無需多個組件，顯著降低生產(chǎn)時間和成本。零件數(shù)量從30減少到1有助于最終減重10%，并消除了緊固處已知的故障點，有利于減少相關的質量管控措施，提升了系統(tǒng)性能。

DLR火箭噴油器的最終部件通過3DSystems的金屬打印機ProX DMP 320進行打印，使用的材料是LaserForm® Ni718 (A),一種抗氧化和耐腐蝕的鉻鎳鐵合金。這種材料具有良好的抗拉強度、耐疲勞性、抗蠕變性和持久強度，即使溫度達到700℃，是高溫應用的理想選擇。

金屬3D打印幫助航空航天中心采用同軸噴射技術和雙旋流噴射器元件，優(yōu)化噴射頭的氧化劑和燃料混合。采用了兩種不同的冷卻方案，每一種都采用最小特征尺寸為0.2毫米、最大長度/直徑比為45的細通道。該設計還集成了噴射頭的鋪膜特性，使工程師能夠直接調(diào)整噴油器處的膜質量流量。

7、貝索斯藍色起源BE-4火箭發(fā)動機

Blue Origin公司是由亞馬遜CEO杰夫-貝索斯（Jeff Bezos）一手創(chuàng)辦的，與高調(diào)的SpaceX不同的是，該公司一直在秘密地開發(fā)其BE-4火箭發(fā)動機。2016年初，Blue Origin成為首枚連續(xù)兩次成功發(fā)射和著陸的垂直起降的商用火箭，從而在回收利用火箭方面再次勝出SpaceX公司。

具體來說，Blue Origin采用3D打印技術來打印BE-4火箭發(fā)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(fā)動機。

杰夫·貝索斯表示，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(tài)氧和天然氣從而提供500000磅的推力，3D打印在發(fā)動機的生產(chǎn)中發(fā)揮了關鍵作用。此外，Blue Origin新一代火箭發(fā)動機BE-4核心零部件OBP增壓泵的第二次迭代正在進行測試，并且以及完成單元組件，將進行 BE-4發(fā)動機試驗安裝。BE-4繼續(xù)亞軌道飛行試驗計劃，BE-4有望結束美國對俄制RD-180發(fā)動機的依賴。

8、歐洲航天局3D打印火箭發(fā)動機燃燒室

2019年2月18日，歐洲航天局（ESA）測試了帶3D打印燃燒室的BERTA火箭發(fā)動機，其參考升力為2.45 kN（550.78 lbf）。BERTA被視為3D打印用于更大的發(fā)動機的ETID（Expander-cycle Technology IntegratedDemonstrator-ETID為擴展循環(huán)技術集成演示器）。

△BERTA燃燒室演示器點火測試 來源：ESA

ETID是下一代10噸火箭發(fā)動機的先驅技術載體，其中一些技術也可用于升級現(xiàn)有的Vinci發(fā)動機，Vinci發(fā)動機為阿麗亞娜6提供動力。通過首次測試被ESA視為增材制造火箭發(fā)動機零件的重要一步。用于下一代運載火箭的100噸級火箭發(fā)動機Prometheus（普羅米修斯）也將受益于BERTA的測試過程中，并獲得技術傳承，例如增材制造復雜零件以及實現(xiàn)低成本燃燒室的制造技術。

該燃燒室由Ariane集團開發(fā)，作為ESA未來發(fā)射器預備計劃（FLPP）項目的一部分，由Ariane集團開發(fā)的BERTA發(fā)動機設計用于“可儲存的推進劑”，這意味著燃料可以在室溫下儲存。這種類型的發(fā)動機可以點燃幾次并且非�？煽俊Ｋ鼈兛捎糜诘厍蜍壍酪酝獾娜蝿�，并持續(xù)數(shù)月。增材制造發(fā)揮的作用是制造復雜設計的冷卻通道。傳統(tǒng)的制造方法無法一體化的制造如此復雜的通道，通過3D打印冷卻腔室?guī)в袕碗s冷卻通道的壁。使得發(fā)動機的性能獲得提升。BERTA發(fā)動機采用的是選擇性激光熔化（SLM）金屬3D打印技術，鎳基合金材料用于制造注射頭部分，不銹鋼材料用于制造燃燒室部分。

9、英國航空航天公司3D打印機快速成型火箭發(fā)動機

2021年3月，英國航空航天公司Orbex與AMCM合作，宣稱要建立歐洲最大的工業(yè)3D打印機，以實現(xiàn)快速打印火箭發(fā)動機。

△Orbex生產(chǎn)的Stage 2 Prime火箭

Orbex計劃在其位于蘇格蘭高地Sutherland的A'Mhoine半島的太空港發(fā)射Prime運載火箭，該運載火箭已于2020年8月獲得計劃許可。A'Mhoine基地將于今年開始動工，目前是英國唯一獲得規(guī)劃許可的太空港，并將于2022年開始首次軌道發(fā)射。

△工程原型中的3D打印火箭發(fā)動機

幾個月來，Orbex與AMCM進行了一系列試驗，以打印一系列大型火箭部件，因為它希望擴大其發(fā)射的生產(chǎn)能力。AMCM將在Orbex的工廠定制建造并安裝兩家公司聲稱是歐洲最大的工業(yè)3D打印機，該工廠將擴大1000平方米，以容納這些機器。數(shù)百萬英鎊的3D打印系統(tǒng)將包括后處理機器和“機器視覺”系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將對打印的火箭組件進行基于影像的自動檢查。

為了消除將零件連接和焊接在一起可能引起的弱點，Orbex的火箭發(fā)動機零件將被單件打印。這些組件將使用包括鈦和鋁在內(nèi)的定制金屬混合物進行打印，以確保系統(tǒng)輕巧耐用，足以承受航天飛機的極端溫度和壓力。Orbex估計，新的打印系統(tǒng)每年將提供超過35臺火箭發(fā)動機和渦輪泵系統(tǒng)，并且作為第一個從新的A'Mhoine太空樞紐發(fā)射的系統(tǒng)，它可能會成為第一個成功將商用火箭從英國發(fā)射到軌道的系統(tǒng)。

10、澳大利亞SPEE3D低成本金屬 3D 打印火箭發(fā)動機

2021年7月12日，澳大利亞冷噴涂 3D 打印機制造商SPEE3D宣布計劃通過低成本金屬 3D 打印火箭發(fā)動機“徹底改變”航天領域。SPEE3D 將尋求使用其冷噴涂技術，為澳大利亞新興的工業(yè)航天工業(yè)制造高質量、廉價的金屬 3D 打印火箭發(fā)動機。

據(jù)報道，SPEE3D 獲得專利的冷噴涂增材制造技術，能夠比傳統(tǒng)的金屬 3D 打印方法快 100 到1,000 倍的速度打印金屬零件。據(jù)推測，該技術也是唯一能夠以比傳統(tǒng)制造更具競爭力的成本按需打印金屬零件的工藝之一。冷噴涂不依賴于激光或其他基于熱的能源，而是利用動能通過高速壓縮氣流將金屬粉末噴涂到基材上。這為材料提供了足夠的能量來變形并粘合到下面的固體部分，形成額外的層。

該公司的 WarpSPEE3D 3D 打印機在短短三個小時內(nèi)以不到 1,000 美元的成本生產(chǎn)了一個 17.9 公斤的銅火箭噴嘴內(nèi)襯�，F(xiàn)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(fā)動機，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的發(fā)動機相比，這些發(fā)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(nèi)運行，發(fā)現(xiàn)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(nèi)打印出銅制火箭噴嘴內(nèi)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(fā)出世界上第一枚電池動力火箭，而且發(fā)動機幾乎完全是3D打印的。這套低成本的發(fā)射系統(tǒng)以Electron的形式出現(xiàn)，盧瑟福發(fā)動機可以在24小時內(nèi)3D打印出來。發(fā)動機的主要推進閥、噴油器、泵和發(fā)動機室都是通過電子束熔化3D打印出來的，發(fā)動機本身也是首創(chuàng)，它使用電動馬達代替氣體，創(chuàng)造出更輕巧、高效的機器。這家初創(chuàng)公司將3D打印用于火箭的主要部件，目前已經(jīng)發(fā)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。

12、相對論航太公司Relativity Space

Relativity Space 是一家美國航空航天制造公司，它由 Tim Ellis 和 Jordan Noone 于 2015 年創(chuàng)立，Relativity Space 正在開發(fā)用于商業(yè)軌道發(fā)射服務的制造技術、運載火箭和火箭發(fā)動機，設計、開發(fā)和制造 3D 打印火箭。

作為一個垂直整合的技術平臺，Relativity 通過融合 3D 打印、人工智能和自主機器人技術，處于向軟件定義制造不可避免的轉變的最前沿。 它提供了一個從根本上簡化的供應鏈，在不到 60 天的時間內(nèi)制造出部件減少 100 倍的火箭。

△Relativity Space使用Stargate 3D打印機來制造火箭。

Relativity Space所推出的產(chǎn)品Aeon 1火箭發(fā)動機，可以在海平面產(chǎn)生 15,500 磅力（69,000 N），在真空中產(chǎn)生 25,400 磅力（113,000 N）。 該發(fā)動機由液化天然氣 (LNG) 和液氧(LOX) 提供動力，并且是由專有的 3D 打印合金制成。它通過選擇性激光燒結打印，由少于 100 個部件組裝而成。到 2018 年 3 月，Relativity Space 使NASA 斯坦尼斯航天中心的 E-3 測試設施完成了其 Aeon 1 發(fā)動機的 300 多次測試點火。除此之外，Relativity Space還有Stargate打印系統(tǒng)、Terran 1及Terran R火箭，均是通過3D打印手段完成制造。

13、Launcher

自2017年成立以來，Launcher不斷利用3D打印技術來升級火箭發(fā)動機的性能。他們的目標是創(chuàng)造高效、最佳成本的火箭，能夠將小型衛(wèi)星送入太空。

在2019年獲得太空部隊150萬美元的合同后，Launcher開始著手為E-2發(fā)動機開發(fā)3D打印部件，生產(chǎn)了一個火箭燃燒室，據(jù)說是同類產(chǎn)品中最大的部件，高860毫米，具有410毫米出口噴嘴。燃燒室是使用EOS子公司AMCM提供的M 4K 3D打印機一體制造的。

△發(fā)射器的AMCM-3D打印燃燒室，照片來自AMCM

發(fā)射器的E-2發(fā)動機是用高性能銅合金3D打印的，需要更少的推進劑就能進入軌道，因此允許在每枚火箭上運送更多的衛(wèi)星，而且擁有比競爭對手更低的價格。
2021年5月，Launcher公司與3D打印機制造商VELO3D和仿真軟件公司Ansys合作，優(yōu)化E-2火箭發(fā)動機中另一個性能關鍵部件的設計：一個傳統(tǒng)的液氧（LOX）渦輪泵。在美國宇航局斯坦尼斯航天中心進行了發(fā)動機測試后，渦輪泵將在發(fā)射前被集成到 "輕型發(fā)射器 "火箭中。

14、Aerojet Rocketdyne

2021年5月19日，美國推進系統(tǒng)制造商Aerojet Rocketdyne宣布，其RL10火箭發(fā)動機的升級版已成功通過美國國家航空航天局的點火測試程序。

△一名AerojetRocketdyne公司的工程師正在準備該公司的RL10C-X火箭發(fā)動機

在試驗期間，該公司的新型RL10C-X上面級發(fā)動機采用了增材制造的噴油器和燃燒室，在太空模擬中展示了點火過程和長期耐用性。RL10C-X是與美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）共同開發(fā)的，是為了推動其下一代Vulcan Centaur運載火箭，作為即將到來的探索性太空任務的一部分。
Aerojet Rocketdyne公司首席執(zhí)行官Eileen P. Drake說："成功完成這個測試系列驗證了我們將3D打印技術納入RL10項目的方法，以降低成本，同時保持發(fā)動機的無與倫比的性能。RL10在近六十年來一直是該行業(yè)的主力軍，RL10C-X將有助于確保該發(fā)動機保持這一領導地位。"

△在美國宇航局馬歇爾太空飛行中心對Aerojet Rocketdyne公司的3D打印Bantam火箭發(fā)動機進行發(fā)射測試

15、盧秉恒院士團隊3D打印10米級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)

國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學盧秉恒院士團隊利用電弧熔絲增減材一體化制造技術，制造完成了世界上首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應力調(diào)控等方面均實現(xiàn)重大技術突破。

10米級超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運載火箭貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的關鍵結構件。該樣件重約1t，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，制造工藝大為簡化、成本大幅降低，制造周期縮短至1個月。目前，采用增減材一體化制造技術成功完成超大型環(huán)件屬國際首例。

16、Ariane 集團

前身為航空航天巨頭空客與法國制造商賽峰集團合資成立的空中客車賽峰發(fā)射器公司Ariane 集團，于2018年1月測試了Vulcan 2.1發(fā)動機，這是Ariane 6號運載火箭的第一階段。

Vulcan 2.1中的氣體發(fā)生器采用3D打印技術制造，使得ESA能夠在不犧牲性能或效率的情況下降低Ariane 6的成本。

不難看出，全球各地火箭發(fā)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(fā)動機同樣有著出色表現(xiàn)，這也表明3D打印在火箭發(fā)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(fā)動機制造領域站穩(wěn)腳跟、發(fā)光出彩。

厲害啊