3D打印机网,专注我国3D打印机发展!
当前位置:主页 > 3D打印案例 > 正文

推动增材制造的极限以实现更加可靠、强大和高效的火箭

时间:2019-10-07 09:29 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

 摩根士丹利(Morgan Stanley)估计,到 2040年,全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模,而SpaceX可能是该产业最大的参与者之一。关于3D打印对火箭制造行业的革新作用, SpaceX首席设计师兼首席执行官马斯克有着精辟的观点:通过3D打印,可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。

Video cover_SpaceX_Elon Musk

SpaceX正在推动21世纪增材制造的极限,火箭比以往任何时候都更加高效,可靠和强大。

block 推动增材制造的极限,探索研发与制造的无尽可能

       通过3D打印来创建高性能的火箭零件,SpaceX正在推动增材制造的极限,以期使Falcon 9火箭、Dragon飞船以及Starship火箭比以往任何时候都更加可靠,强大和高效。SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室,使用了镍铬高温合金材料。与传统的发动机制造技术相比,使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期和并降低制造成本,而相比传统制造发动机的成本,而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机,其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。

      SuperDraco发动机为Dragon龙飞船的发射逃生系统提供了动力,并使该运载器能够以精确的精度推进降落在地球上(并可能在未来的另一个星球上降落)。通过选区激光熔化金属3D打印工艺制造,镍铬高温合金材料提供了高强度、韧性,及可靠性。

      2014年,SpaceX推出了Falcon 9火箭,该火箭具有3D打印的氧化剂阀体(MOV)主体,该阀门在低温温度和高振动条件下成功运行。与传统的铸造零件相比,3D打印用于制造火箭氧化剂阀体具有卓越的强度,延展性和抗断裂性,并且材料特性的可变性较低。与以月为单位的典型铸造周期相比,MOV阀体的3D打印时间不到两天。此后,该阀门的广泛测试程序包括一系列严格的发动机点火,组件级资格测试和材料测试,从而使3D打印的MOV阀体可以在以后的所有Falcon 9火箭上使用。

       就在2019年近日,马斯克宣布将推出史上最强星际火箭Starship火箭,作为SpaceX的最新产品,高118米(约40层楼),宽约9米。Starship是史上最强大的火箭,不仅能够往火星、月球运送多达100吨的有效载荷,也能够载客100多人——且可以进行长期的星际旅行。加上名为“Super Heavy”的助推器,Starship将会直接取代当前的猎鹰9号和猎鹰重型火箭,以及用于货运和载人的龙飞船。Starship总长度118米,第一级长度为68米,直径9米,可装载燃料重量3300吨,燃料和氧化剂分别为液态甲烷和液氧。第一级火箭总共有37个“猛禽”引擎。每个猛禽推进器可以提供200吨的推力,因此发射时的总推力将达到惊人的7300吨。

        SpaceX一直致力于将人类带入火星,并专注于制造可重复使用的发射系统,SpaceX的Raptor发动机设计可重复使用1000次。根据SpaceX的说法,制造过程包括许多3D打印零件,从而可以降低成本并使更轻的零件生产成为可能。3D打印的组件包括推进剂阀体,涡轮泵零件和喷射器系统的零件。3D打印可以大大降低生产成本,并提高发动机的推力重量比,因为它可以生产传统方法无法实现的更轻的零件。3D打印引擎组件的另一个额外优势是可以提高设计更改的速度,与几周甚至几个月的时间相比,它使研发团队迅速的完成多次设计迭代过程,从而获得设计与制造两个层面的突破。

Raptor_SpaceX_Elon Musk

SpaceX的埃隆·马斯克(Elon Musk)与新的Raptor火箭发动机

     多年以来,SpaceX一直在评估3D打印的好处,并完善开发飞行硬件所需的技术,在此过程中取得了一些重大成功。随着增材制造行业的发展,我们可以期望SpaceX将继续通过3D打印技术实现迄今为止所取得的令人难以置信的成果,并继续以他们对太空的远见卓识启发人类对宇宙的探索能力。信念与对新技术的开放态度,SpaceX在不断开启新的探索。

block Review

     3D打印技术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”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。谈到民营商业航天,在国际上已不乏先行者,例如伊隆·马斯克(Elon Musk)创建的Space X, 以及亚马逊CEO杰夫贝索斯创立的Blue Origin。除此之外,还有起步较晚的Launcher、Relativity Space等初创公司。

       随着世界商业航天业的发展,我国开始在政策层面与资本层面上鼓励民营商业航天的发展。2016年,国务院新闻办公室发布了《2016中国的航天》白皮书,突出强调“鼓励引导民间资本和社会力量有序参与航天科研生产、空间基础设施建设、空间信息产品服务、卫星运营等航天活动,大力发展商业航天”。

      在此背景下,我国商业航天业得到发展。北京时间2019年7月25日,北京星际荣耀空间科技有限公司(星际荣耀)公司的双曲线一号遥一运载火箭(SQX-1 Y1)在中国酒泉卫星发射中心成功发射。

根据3D科学谷的市场研究,国内星际荣耀通过3D打印技术开发的液体发动机涡轮泵部件包括涡轮盘。星际荣耀研发了一种叶片与转盘一体成型的增材制造涡轮盘,至少两级叶片成型在转盘外周上。在此应用中使用的增材制造-3D打印技术为选区激光熔化,打印材料为Inconel718高温合金。选区激光熔化(SLM)3D打印技术的应用能够解决电火花等加工工艺在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时,受操作空间以及加工精度等影响而导致的涡轮盘难以加工的问题。

根据3D科学谷的市场研究,在液体姿轨控制动力系统研发中,星际荣耀也进行了3D打印探索,并研发了一种可将液体姿轨控制动力系统配套组件集成装配在一起的3D打印总装结构。这一安装结构件的显著特点在于功能集成,其中的管接头、机体中的若干条流道等为一体化设计,可通过选区激光熔化或电子束熔化(EBM)技术制造,制造材料为镁铝硅合金或钛合金。这种功能集成的结构能够减少总装结构的零部件数量,降低组装难度,减少制造成本。

3D打印技术已然成为火箭制造的“顶梁柱”,有关应用以及国际航天业在低成本、可回收火箭方面掀起的3D打印技术竞争,

(责任编辑:中国3D打印机网)