3D打印铜合金推力室首次热试致力为“未来发射器”做准备

    欧洲航天局（ESA）在德国航空中心（DLR）对一个完全增材制造的火箭推力室进行了热试车。第一次测试持续了30秒，预计在本周内进行其他测试。ESA将对测试数据进行收集与分析。

集成冷却流道

    根据ESA, 进行测试的3D打印推力室仅有三个零件，可为未来火箭的上层提供动力。增材制造推力室零件数量由数百个减少的三个，缩短了生产时间，降低了成本，显著提高液体推进发动机在欧洲运载火箭中的竞争力。  

    进行测试的全尺寸推力室具有3D打印铜合金衬里，该衬里具有集成的冷却通道，其外层为冷气喷涂建立的高强度外套。3D打印推力室的歧管和整体式喷油也是增材制造的。

    这些3D打印零件的生产和测试工作已在ESA的“未来发射器”准备计划中进行。

    ESA 表示，这次测试的全尺寸3D打印推力室是基于2019年通过ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator-ETID为扩展循环技术集成演示器）热试车中验证的技术与方式。

    ESA 总共测试过ETID的四种配置，ETID 具有三种新燃烧室几何形状和设计。还测试了两个不同的喷油器头，包括全3D打印的喷头，以及一个可再生喷嘴，该喷嘴通过最大程度地吸收热量来优化发动机循环。燃烧室和喷嘴都利用燃烧热来预热，因此在燃烧之前“膨胀”氢推进剂。冷氢的流动还具有冷却硬件的作用，在运行期间将温度保持在合理的范围内。

     ESA 总共对ETID进行了23次测试，总运行时间为2707s。在测试期间，达到了49个不同的工作点，包括测试“极端”状态下的行为，例如增加系统中冷氢的流量，并因此在运行期间对硬件进行“过冷”冷却。测试显示了ETID设计的多功能性，并可在较宽的混合比和腔室压力范围内运行。多个工作点也将有助于校准，用于设计后续发动机并预测其性能的数值模型。

    今年5月以来，我们接连看到了航天3D打印应用所取得的瞩目成绩。

    5月5日18时，“胖五”家族新成员长征五号B火箭搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱，从海南文昌航天发射场点火升空，正式拉开了我国载人航天工程“第三步”任务的序幕。新一代载人飞船试验船不仅完成了首次3D打印太空实验，还搭载了世界首个基于金属3D打印技术的立方星部署器。同期，中国航天科技集团有限公司一院211厂研制的全3D打印芯级捆绑支座顺利通过飞行考核验证。

    北京时间 5 月 31 日，SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心 39A 发射台成功发射。运载火箭猎鹰9号和载人龙飞船以及两名宇航员头盔的制造中，3D打印都发挥了重要作用。

    3D打印已成为航天制造领域的一项核心技术，对此已无需多言。尤其是在火箭发动机制造领域，3D打印已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。在ESA 近日试车中涉及到的3D打印推力室，是火箭发动机增材制造的一条关键竞争赛道。

l “百家争鸣”之势

铜合金推力室部件

    Aerojet Rocketdyne 使用粉末床选区激光熔化3D打印技术制造的铜合金推力室部件，在2017年通过了美国Defense Production Act Title III项目管理办公室进行的点火测试。通过测试的3D打印铜合金推力室部件是全尺寸的，这款推力室将替代目前的RL10C-1发动机的推力室部件。3D打印的铜合金推力室部件由两个铜合金零件构成。相比传统的制造工艺，选区激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构，如集成内部冷通道。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化，这正是火箭发射技术所需要的。

    美国航天局（NASA）在2015年取得了铜合金部件3D打印方面获得进展，制造技术也是选区激光熔化3D打印，打印材料为GRCo-84铜合金。NASA用这项技术制造的3D打印零件为火箭燃烧室衬里，该部件总共被分为8,255层，进行逐层打印，打印时间为10天零18个小时。2019年，NASA 又公布了一种新型铜合金3D打印材料GRCop-42，这是一种高强度，高导电率的铜基合金材料，可用于生产近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃烧室内衬和燃料喷射器面板。

镍基高温合金一体化推力室

    CellCore公司与SLM Solutions密切合作，使用镍基高温合金与选区激光熔化技术，成功实现了多功能推力室的一体化成型。在3D打印推力室中，冷却管道是设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型。一体化的火箭发动机，结合喷射器和推力室，将众多的单个部件简化为一个，只有通过激光选区熔化工艺才能实现多功能集成的轻量化结构。CellCore公司所开发的内部结构遍布整个火箭发动机，不仅适用于传热，而且提高了构件的结构稳定性。

集成百余条冷却流道

    2019年，中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车，取得圆满成功。在推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，大量采用3D打印工艺，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。

    铂力特承担了此次试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属3D打印工作。发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件，使用环境苛刻，零件内部有百余条冷却流道，使用传统工艺铣削、焊接工艺不仅制造周期长、成本高，零件性能也难以得到保证。

控制内部冷却通道表面粗糙度

    年轻的航天企业Rocket Lab在火箭发动机推力室制造领域进行了知识产权布局。根据市场观察，在相关专利中，Rocket Lab强调了选区激光熔化技术控制火箭发动机冷却剂流动通道表面粗糙度的独特能力：

首先，增材制造能够实现出小的凸块特征，脊，突起，凹谷等设计，这些特征用于在冷却剂流动通道的特定区域中提供局部变化。

第二，通过调整增材制造技术的加工参数和粉末可以产生不同的表面粗糙度。例如，选区激光熔化金属3D打印加工过程中通常使用的粉末颗粒的平均粒径通常可以在30μm至110μm之间。

    以上几个3D打印案例，虽只是航天发动机增材制造赛道中的冰山一角，但仍能看到，使用激光选区熔化技术进行增材制造时，冷却通道直接成为了整体设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型，这也是3D打印应用到推力室以及其他热管理领域的魅力。