名为“SMall Innovative Launcher for Europe”(又名 SMILE 项目)的欧盟 (EU) Horizon 2020 项目旨在设计小型卫星运载火箭,以将小型卫星(重达 150 千克)发送到 500 公里的太阳同步轨道。德国航天中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,简称 DLR)结构与设计研究所位于德国斯图加特,是十四个参与组织之一,他们负责开发用于 SMILE 项目运载火箭的液态/液态火箭引擎喷射器。由于液态推进系统具有巨大的翻新和再利用潜力,因此该研究所着重研究液态推进系统,从而为小型卫星运载火箭打造更具成本效益的解决方案。

由于火箭液氧 (LOX)/焦油引擎的喷射器头部组件极为复杂,DLR 与 3D Systems 位于比利时鲁汶的客户创新中心 (CIC) 合作,以设计 3D 打印喷射器,从而实现全新的可能性和性能。3D Systems 位于鲁汶的 CIC 是我们的四家全球服务中心之一,旨在为客户提供产品开发、验证和商业化所需的资源,从而加快高级应用开发。

金属 3D 打印 EU Horizon 20/20 SMILE 项目的液态火箭引擎喷射器
金属打印的喷射器头可实现 30:1 的部件数量减少比例,并且重量减轻 10%。

携手合作,共创成功

通过选择 3D 打印其同轴喷射器头,DLR 希望获益于增材制造的几个关键优势,包括采用一体式设计而实现部件数量减少,以及集成冷却通道等多个重要功能,以便整体推进系统提供更佳性能。

在 DLR,Markus Kuhn 和 Ilja Müller 负责管理喷射器头项目,他们表示,鉴于 3D Systems 在航天应用金属 3D 打印领域的成功经验,他们最终选择了这家 3D 打印公司作为合作伙伴。“鉴于涉及 DMP 的航空相关计划获得了成功,我们认为,3D Systems 非常适合为我们提供喷射器头的制造设计方面帮助,同时他们也能在传感器集成和燃料及冷却液分布方面实现新的可能性,”Kuhn 说道。

SMILE 项目运载火箭点火测试
3D 打印喷射器头的点火测试显示其具有良好的混合和燃烧效率。

优化燃料喷射器设计以及减少部件数量

火箭喷射器的作用是让燃料和氧化剂由此进入燃烧室。成功的液态火箭燃料喷射器可在确保燃料和氧化剂原子化并正确混合的情况下排出这些材料,从而产生所需的燃烧状态,以推动火箭发射升空。

根据 3D Systems 项目工程师 Koen Huybrechts 所言,DLR 设想的液态燃料喷射器头包括性能增强的多项功能,这些独特的功能通过使用 DMP 进行 3D 打印而实现:“我们对优化性能和冷却的需求,压力和温度传感器通道的设计复杂性,以及通过一致、简单可重复的流程来简化装配和生产的期望,所有这些都说明我们采用 ProX® DMP 320 是不二之选,”Huybrechts 说道。

利用 DMP 实现的金属 3D 打印可帮助 DLR:

  • 通过新的燃料及冷却液分布可能性来优化部件性能;
  • 轻松实施 3D 路径的压力和温度传感器通道;
  • 消除中间生产和装配步骤;
  • 优化热性能、质量和液压性能而互不影响,不受传统制造方法的限制;
  • 采用一体式设计,从而避免装配错误点,并且提高质量;
  • 减少机械加工步骤,从而生产高度集成的多功能喷射器。

通过使用金属 3D 打印,DLR 可以彻底改变其同轴喷射器的设计方法,并且不再需要多个子组件,从而大幅缩短生产时间,降低了成本。部件数量从 30 个减少到一个,从而减少了 10% 的最终重量,并且消除了紧固位置上的已知故障点,进而简化了质量控制措施并改进了系统性能。

DMP 打印的液态火箭引擎喷射器 3D 模型横截面以及流量
喷射器头流量:蓝色 = 液氧;橙色 = 焦油;红色 = 薄膜层;绿色 = 发散冷却。

利用精确金属打印来整合部件

3D Systems 的应用工程师使用 3DXpert™ 来准备打印所需的喷射器头文件。3DXpert 是一款一体化软件,涵盖整个金属增材制造流程。3D Systems 进行了预打印操作来改进后处理过程中的粉末清除流程,并且检查打印可行性,以确保部件正常构建,不出现复杂问题。

最终部件在 3D Systems 位于鲁汶的 CIC 打印,由 3D Systems ProX DMP 320 金属打印机完成,采用 LaserForm® Ni718 (A) 和抗氧化、耐腐蚀的铬镍铁合金打印。LaserForm Ni718 (A) 在最高 700℃ 的低温温度下具有卓越的抗张强度、耐疲劳性、抗蠕变性和断裂强度,因此,十分适合高温应用。

打印完成后,3D Systems 团队从部件内部清除了未使用的材料,对部件进行了热处理以释放应力,然后使用有线电火花机 (EDM) 将部件从建模板上取下。

液态火箭引擎发射器组件
利用 3D 打印喷射器(合作伙伴:3D Systems)和陶瓷燃烧室来设置液氧/焦油火箭引擎。

免工具生产可加快设计周期

凭借 3D Systems 在增材制造方面的专业知识和 DMP,DLR 能够快速合作并研究设计更改,无需进行耗时的工具加工。这对于 DLR 的设计循环而言十分重要,因为喷射器头原型第一阶段设计和测试所要求的交付时间仅数周。

“将 ProX DMP 320 与 3D Systems 在 3D 打印设计方面的专业知识相结合,这帮助我们在较短时间内对多个设计方案进行了测试,”Kuhn 和 Müller 表示。

金属 3D 打印使 DLR 能将同轴喷射器技术与双旋流喷射器元件仪器使用,从而优化了喷射器头中氧化剂与燃料的混合。DLR 采用了两种不同的冷却解决方案,每种解决方案都采用了精细通道,最小形体尺寸为 0.2 毫米,最大长度/直径比为 45。该设计还在喷射器头集成了薄膜层,可帮助工程师直接调节喷射器的薄膜质量流速。

查看金属 3D 打印喷射器头设计内部
喷射器头内部视图展示了金属 3D 打印可实现的复杂性。

性能更佳,成本更低

DLR 直接将冷却剂分布系统集成至喷射器,以此进一步实现了更多性能增强,从而帮助工程师实施并独立控制壁面发散和薄膜冷却技术。在喷射器内使用冷却剂时,燃烧室的高温内侧会形成冷却剂薄膜,保护壁结构不受高温流体影响。与传统的再生冷却相比,此类型的系统通常更易于制造,并且成本更低。

通过使用 DLR 和 3D Systems 开发的设计和制造方法,以及陶纤维矩阵复合材料(CMC) 等复杂的陶瓷材料,针对喷射器头开发的结构和系统有可能实现多次重复使用,并且有可能将相关技术转移到其他应用。

为了评估新设计,DLR 对内部流动进行了数值模拟,以估算每个推进剂在进料管道中的燃料分布以及相关压力损失。随后进行了冷流测试,测试显示数值测量数据和试验测试数据之间相关性良好。最终的 3D 打印喷射器头在西班牙的 PLD Space(SMILE 项目的另一合作伙伴)进行了点火测试,测试显示,采用 DLR 设计的火箭推力室装配件可实现良好的混合效率和燃烧效率。

展望未来,利用金属打印实现的新设计和制造流程有望继续提供高度的几何形状灵活性,减少生产步骤以加快上市时间,优化材料和部件使用,持续改进性能,并且提高结构完整性,从而延长喷射器使用寿命。

“我认为我们完全可以说,3D 打印的喷射器头集成的功能十分卓越,并且与先进的、利用传统方法制造的同等部件相比,3D 打印部件的生产时间更短,成本更低。”Müller 说道。

航天金属增材制造

由于金属 3D 打印的好处完全符合航空航天领域中众多关键的优先考虑事项(包括减轻部件重量、节约燃料、提高运行效率、部件整合、加快上市时间、减少储存要求等),因此,金属 3D 打印已经建立了作为该行业重要技术的优势。

众多近期项目可证明 3D Systems 的 DMP 技术在航天市场中颇有成效,其中包括:

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