3D打印使得多個零件可以作為一個零件制造出來，并極大的壓縮了研發(fā)時間與成本，這催生了眾多的小型企業(yè)進(jìn)入到航空航天制造領(lǐng)域。美國一家小型火箭初創(chuàng)公司Launcher開發(fā)的火箭發(fā)動機(jī)E-2是一個整體式的結(jié)構(gòu)，沒有任何組裝零件，制造方式是選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)。Launcher 獲得了進(jìn)展的里程碑，在 NASA 斯坦尼斯航天中心實(shí)現(xiàn)了3D打印 E-2 火箭發(fā)動機(jī)的全推力測試。

Launcher的3D打印火箭發(fā)動機(jī)
© Launcher

3D打印高性能液體火箭發(fā)動機(jī)

 成功測試

       2022 年 4 月 21 日，Launcher 的 E-2 液體火箭發(fā)動機(jī)在美國宇航局斯坦尼斯航天中心獲得成功測試。E-2 是一種封閉循環(huán) 3D 打印的高性能液體火箭發(fā)動機(jī)，正在為 Launcher Light 運(yùn)載火箭開發(fā)（計(jì)劃于 2024 年首次發(fā)射）。單個 E-2 發(fā)動機(jī)將攜帶 150 公斤有效載荷將 Launcher Light 運(yùn)載火箭推進(jìn)到近地軌道。

成功測試 E-2 發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)：

10 公噸推力（22,046 磅力）。
100 bar (1,450 psi) 的燃燒壓力。
LOX/煤油（2.62 推進(jìn)劑混合比）在 100 bar 壓力下的最高性能。

 3D打印技術(shù)助力突破

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，通過3D打印技術(shù)制造整體式的火箭發(fā)動機(jī)是從事小型航天器發(fā)射的航天公司的技術(shù)聚焦點(diǎn)之一。對于初創(chuàng)企業(yè)而言，航空航天業(yè)一直是一個難以進(jìn)入的市場，挑戰(zhàn)并非僅僅來自知識產(chǎn)權(quán)，除了需要與現(xiàn)有的航空航天業(yè)供應(yīng)商巨頭競爭，像Launcher這樣的初創(chuàng)企業(yè)還面對多方面的挑戰(zhàn)與壓力。

© Launcher

初創(chuàng)企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)來自于如何制造出航空航天業(yè)需要的復(fù)雜的部件，這些部件是按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)制造的，并且是以小批量制造的。但是，與任何行業(yè)一樣，新技術(shù)的引入有可能打破原來的生態(tài)平衡。目前，航空航天工業(yè)中的3D打印-增材制造技術(shù)就在打破原有的平衡。

Launcher的火箭與衛(wèi)星發(fā)射
© Launcher

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，Launcher目前主要使用的3D打印設(shè)備來自EOS的AMCM M4K，以及Velo3D的3D打印設(shè)備。

根據(jù)3D科學(xué)谷，銅合金由于其高導(dǎo)熱性而被期望用于腔室襯里，這帶來高效的壁冷卻效果，以帶來更加安全的火箭運(yùn)行水平。3D打印在銅合金燃燒室的應(yīng)用技術(shù)邏輯包括一次性整體成型帶冷卻通道的腔壁，銅合金的加工能力這兩方面的優(yōu)勢結(jié)合。

小型企業(yè)要在航空航天這樣的高技術(shù)壁壘的領(lǐng)域獲得一席之地，必須建立自身的技術(shù)優(yōu)勢，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Launcher 的一個技術(shù)優(yōu)勢在于其開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動機(jī)部件就集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動機(jī)冷卻效率得到提升。Launcher的E-2 的腔室采用獨(dú)特的液氧冷卻，通過銅合金 3D 打印一體成型。它還使用工業(yè)供應(yīng)鏈銅鉻鋯合金 (CuCrZr)，與通常用于 3D 打印燃燒室的航空級銅合金相比，降低了成本和供應(yīng)鏈限制。

Launcher 是第一家使用 3D 打印銅合金的小型發(fā)射公司，并與AMCM公司（屬于 EOS 公司）合作開發(fā)了第一臺大幅面（100 x 45 x 45 厘米）定制 3D 打印機(jī)，在小型發(fā)射 3D 打印技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。Launcher 的一體化銅合金燃燒室是在 AMCM M4K 3D 打印機(jī)上生產(chǎn)的。

Launcher的3D打印銅合金燃燒室
© Launcher

© 3D科學(xué)谷白皮書

在這款發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)的燃燒室和噴嘴被設(shè)計(jì)為一個整體的部件，它將實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能，同時減少零件數(shù)量和對裝配的需求，最終通過金屬3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這樣的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

Launcher的3D打印銅合金燃燒室自動去粉
© Launcher

     在分階段燃燒循環(huán)中，推進(jìn)劑流過兩個燃燒室，一個預(yù)燃室和一個主燃燒室。通過點(diǎn)燃預(yù)燃室中的少量推進(jìn)劑產(chǎn)生的壓力可用于為渦輪泵提供動力，渦輪泵迫使剩余的推進(jìn)劑進(jìn)入主燃燒室。增加預(yù)燃器可以提高燃油效率，但卻需要更高的工程復(fù)雜性。

       此外，E-2 最先進(jìn)的同軸注射器是在 Velo3D 的設(shè)備上進(jìn)行 3D 打印的。VELO3D是一家軟件驅(qū)動硬件的企業(yè)，其市場定位相當(dāng)清晰：設(shè)計(jì)自由，敏捷生產(chǎn)和質(zhì)量保證，這些是VELO3D通過技術(shù)打造的獨(dú)特的市場定位。VELO 3D率先推出其“無支撐”3D打印技術(shù)，其受到航空航天領(lǐng)域采用的原因還在于VELO 3D的Assure™質(zhì)量保證和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有直觀的圖表，使用戶能夠查看和解釋在構(gòu)建過程中收集的大量數(shù)據(jù)。根據(jù)VELO 3D，這些信息可幫助工程師驗(yàn)證構(gòu)建過程中每個步驟的質(zhì)量，并使其在出現(xiàn)問題時能夠快速做出決策。確保可以幫助減少生產(chǎn)差異，提高產(chǎn)量并規(guī)避異常情況，以確保一致的增材制造結(jié)果。

‍ 更多挑戰(zhàn)，值得期待

     作為下一步，Launcher 計(jì)劃在2022年5月初再次使用相同的發(fā)動機(jī)腔室和噴射器進(jìn)行測試。Launcher 計(jì)劃將在 2022 年第四季度展示采用集成渦輪泵的E-2進(jìn)行完整測試。

      像Launcher 這樣的初創(chuàng)企業(yè)要憑借3D打印技術(shù)進(jìn)入到高壁壘的航空航天行業(yè)，光有3D打印設(shè)備這些“金剛鉆”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要對加工工藝，材料技術(shù)，后處理等方面有著深刻的認(rèn)識和技術(shù)積淀，除此之外，還需要懂得如何搭建屬于自己的良性生態(tài)環(huán)境，并積累資金、品牌、客戶基礎(chǔ)等方面的實(shí)力。商業(yè)航天增材制造方面，最終的贏家不僅要有核心的設(shè)計(jì)實(shí)力，還需要多點(diǎn)建立競爭壁壘，譬如在設(shè)備端從設(shè)備開發(fā)商和材料開發(fā)商借力，通過開發(fā)特殊的3D打印設(shè)備及特殊的材料進(jìn)一步拉高技術(shù)與制造壁壘，同時還需要搭建軟件實(shí)力，將數(shù)據(jù)流中的價值提取出來，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為企業(yè)前進(jìn)的動力“燃料”。

(責(zé)任編輯：admin)

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