金屬增材制造正在提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能

導(dǎo)讀：毫無疑問，衛(wèi)星在我們的生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們不僅提供有關(guān)地球云層、海洋、陸地和空氣的信息（從而使科學(xué)家能夠預(yù)測(cè)天氣和氣候），而且它們對(duì)于日常通信等也至關(guān)重要。但你知道衛(wèi)星尺寸也在一直縮小嗎？如今，衛(wèi)星的生產(chǎn)成本更低，因?yàn)樗鼈儽纫郧暗陌姹靖�輕，從而降低了發(fā)射成本。因此，公司也在著手制造更小、成本更低的火箭來支持它們，Launcher公司就是火箭制造領(lǐng)域的著名代表之一。

初創(chuàng)公司Launcher 2017 年成立于加州，旨在滿足衛(wèi)星發(fā)射市場日益增長的發(fā)射需求（預(yù)計(jì)到 2030 年將從80億美元增長到 380億美元）。該公司結(jié)合液體推進(jìn)技術(shù)和金屬 3D 打印，制造高效火箭和運(yùn)載工具，將小型衛(wèi)星送入軌道。值得注意的是，他們構(gòu)想了低成本的 Launcher Engine-2 (E2) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已針對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。它的目標(biāo)是成為同類產(chǎn)品中性能最高的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并致力于成為輕型火箭發(fā)射器的核心推力部件。為了實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)，Launcher 求助于 Stratasys Direct Manufacturing 和Velo3D 的 金屬增材制造技術(shù)。

△測(cè)試引擎（圖片來源：Launcher/John Kraus Photography）

近距離觀察 E-2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

如前所述，Launcher E-2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)為 Launcher 高性能火箭的一部分。由 LOX（液氧）/RP-1（煤油）推動(dòng)的22,000 磅力（磅力）發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是世界上性能最高的小型發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)。它采用銅合金進(jìn)行3D 打印，具有 98% 的燃燒效率和 365s Isp 的性能。此外，由于其高平衡性，LOX 泵的葉輪可以在低溫條件下以 30,000 rpm/min 的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)輸送液態(tài)氧。

然而，E-2 火箭的創(chuàng)新性和高性能意味著制造起來并不那么簡單。渦輪泵，包括其葉輪，尤其具有挑戰(zhàn)性。創(chuàng)Launcher 的始人兼首席執(zhí)行官 Max Haot 解釋了該項(xiàng)目的難度，并指出：“如果我們觀察任何可以進(jìn)入軌道的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪泵是該項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分之一，或者至少是一半的挑戰(zhàn)。如果你談?wù)摰氖怯糜诙嗉?jí)燃燒封閉循環(huán)的渦輪泵，那么挑戰(zhàn)就會(huì)增加。”

盡管該項(xiàng)目選擇了金屬增材制造，但在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這種高性能的使用水準(zhǔn)下是不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤的。Haot進(jìn)一步評(píng)論說：“我想指出這有多么重要。我們正在處理液態(tài)氧和一個(gè)以 30,000 轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)以從渦輪機(jī)產(chǎn)生大約 1 兆瓦功率的葉輪。在這種類型的環(huán)境中，在 4000 psi 的排放壓力下，任何異常，轉(zhuǎn)子和定子之間的任何摩擦，都可能導(dǎo)致立即、快速、計(jì)劃外的機(jī)械解體�！� 因此，創(chuàng)新技術(shù)將成為關(guān)鍵。

△為E-2 發(fā)動(dòng)機(jī)供液的液氧泵的蝸殼部分（圖片來源：Launcher）

因此，Launcher 求助于Stratasys Direct Manufacturing，他們自己使用 Velo3D 的 Sapphire® 解決方案來創(chuàng)建平衡良好的誘導(dǎo)葉輪。這個(gè)關(guān)鍵部件加速并將 LOX 驅(qū)動(dòng)到燃燒室，從而為火箭創(chuàng)造更大的流體流量和更大的推力。更具體地說，E-2 的葉輪是通過將兩個(gè)獨(dú)立的 3D 打印部件（誘導(dǎo)輪和葉輪）集成到一個(gè)共同連接的高效組件中而創(chuàng)建的。選擇的材料是INCONEL 718，這是一種耐腐蝕材料，具有良好的 LOX 相容性和低溫下出色的機(jī)械強(qiáng)度。

為什么選擇金屬增材制造？

當(dāng)然，如果 Launcher 制造發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以選擇其他任何技術(shù)，他們?yōu)槭裁雌�偏轉(zhuǎn)向金屬增材制造，更具體地說是 Velo3D 的解決方案？這主要?dú)w因于金屬增材制造有幾個(gè)好處，尤其是在降低成本和設(shè)計(jì)自由度方面。然而，并非任何解決方案都可以做到這點(diǎn)。此外，選擇增材制造技術(shù)更重要的一點(diǎn)是為了要滿足制造需求：零件無法使用內(nèi)部支撐或傾斜來制造，這導(dǎo)致Stratasys Direct 選擇使用 Velo3D Sapphire® 系統(tǒng)，因?yàn)樗�能夠在無支撐的情況下打印零件。

值得注意的是，能夠平整打印對(duì)團(tuán)隊(duì)來說至關(guān)重要，因?yàn)樵诖蛴∵^程中傾斜部件會(huì)妨礙他們獲得平衡良好的旋轉(zhuǎn)部件。但這對(duì)于其他解決方案是不可能的，因?yàn)橥ǔＨ绻�用戶想要避免�?nèi)部支撐（這對(duì)于許多金屬 3D 打印解決方案的許多復(fù)雜幾何形狀是必需的），他們必須傾斜部件，但Sapphire® 系統(tǒng)并非如此。

正如我們之前提到的，Velo3D 的解決方案因其設(shè)計(jì)自由度而在增材制造中獨(dú)一無二，也正暗合了該公司的宣傳口號(hào)：“打印您想要和需要的部件——毫不妥協(xié)�！� 這種自由是多種因素的結(jié)果，包括 Velo3D 提供先進(jìn)的完全集成的金屬增材制造解決方案，包括其 Flow™ 打印準(zhǔn)備軟件和用于質(zhì)量驗(yàn)證的 Assure™ 軟件。此外，它能夠打印低至零度的低角度。最后一部分對(duì)于Launcher 來說尤為重要，因?yàn)檫@意味著該部分可以平面打印。

△圖片說明：Launcher 的兩臺(tái)藍(lán)寶石打印機(jī)（圖片來源：Launcher）

考慮到由于構(gòu)建過程中的應(yīng)力累積，必須傾斜零件會(huì)影響其質(zhì)量，這將阻止創(chuàng)建平衡良好的旋轉(zhuǎn)組件。根據(jù) Stratasys Direct 的說法，使用 Velo3D 系統(tǒng)，可以在理想方向打印葉輪，同時(shí)仍然避免需要內(nèi)部支撐，因?yàn)閮?nèi)部支撐也可能損壞最終部件。Launcher 的機(jī)械工程師 Andre Ivankovic 進(jìn)一步解釋說：“通過打印平面部件，我們得到了部件相對(duì)于中心旋轉(zhuǎn)軸的良好對(duì)稱質(zhì)量分布�！�

金屬增材制造驗(yàn)證結(jié)果如何？

生產(chǎn)的零件需要經(jīng)過全面的、定制的后處理操作和驗(yàn)證步驟才能最終確定應(yīng)用。為此，StratasysDirect 對(duì)組件進(jìn)行了部分加工，以去除內(nèi)部通道中的所有粉末，然后再進(jìn)行經(jīng)過認(rèn)證的熱處理。下一步是確認(rèn)葉輪在熱處理之前滿足材料密度和完整性要求。

Stratasys Direct 增材制造專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)格的二次后處理與 Velo3D 的無支撐打印能力相結(jié)合，確保了高度復(fù)雜和功能部件的成功構(gòu)建。到目前為止測(cè)試已經(jīng)成功。事實(shí)上，最近 Launcher 在美國宇航局斯坦尼斯航天中心的一次活動(dòng)中成功地為美國太空部隊(duì)測(cè)試了E-2 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵。在 11 次測(cè)試過程中，E-2 測(cè)試團(tuán)隊(duì)能夠達(dá)到或超過所有功率、輸入和輸出壓力、效率和振動(dòng)目標(biāo)。您可以在此處了解有關(guān)如何使用 Velo3D 的 Sapphire® 解決方案制造 E-2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的更多信息。