左 蔚，宋夢(mèng)華，楊歡慶，陳新紅

(1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100；2.國(guó)防科技工業(yè)航天特種構(gòu)件增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710100)

0 引言

當(dāng)前，空間技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)運(yùn)載火箭提出了更高的要求，一方面，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中金屬構(gòu)件朝著復(fù)雜、薄壁、整體化和輕量化、高可靠的方向發(fā)展；另一位方面，傳統(tǒng)的航天研究機(jī)構(gòu)和新興的商業(yè)航天公司為爭(zhēng)奪國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)，特別重視新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期和成本的降低。

金屬材料的增材制造技術(shù)，作為當(dāng)前最新最先進(jìn)的制造技術(shù)之一，采用模型降維、積分加工的理念，可一次、快速地近凈成形出一體化構(gòu)件，無(wú)需焊接等裝配環(huán)節(jié)；同時(shí)其快速/近快速凝固組織亞結(jié)構(gòu)細(xì)小，不存在明顯的偏析，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)異，多數(shù)能接近同成分鍛件標(biāo)準(zhǔn)，服役性能可靠。此外，一些新型的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，如周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，借助增材制造技術(shù)可大規(guī)模制備，在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)輕量化、隔熱保溫、減震降噪、防沖擊、發(fā)汗冷卻、催化反應(yīng)等多種功能，真正實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)材料—結(jié)構(gòu)—功能一體化設(shè)計(jì)。

研究國(guó)外航天企業(yè)金屬增材制造應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)清我國(guó)液體動(dòng)力領(lǐng)域增材制造存在的差距，對(duì)自身制造技術(shù)水平的提高和設(shè)計(jì)—制造思維理念的轉(zhuǎn)化具有重要的參考和借鑒作用。

1 國(guó)外應(yīng)用案例

美國(guó)是將增材制造技術(shù)應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最早也是應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。除了傳統(tǒng)的政府機(jī)構(gòu)NASA和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)公司普惠洛克達(dá)因外，近些年來(lái)新興的商業(yè)航天公司如太空探索技術(shù)公司(SpaceX)、藍(lán)色起源(Blue Origin)也將研發(fā)重點(diǎn)投入到金屬材料的增材制造研究及其在發(fā)動(dòng)機(jī)工程化應(yīng)用上來(lái)。此外，歐洲的空客防務(wù)與航天公司、新西蘭Rocket Lab公司也開(kāi)展了增材制造在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究。

1.1 普惠·洛克達(dá)因公司應(yīng)用進(jìn)展

2013年3月普惠·洛克達(dá)因公司使用激光選區(qū)熔化成形(SLM)技術(shù)制造了J-2X 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵排氣孔蓋，并在極端環(huán)境下成功進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，這是全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)首次使用增材制造零件[1]。該試車(chē)的成功驗(yàn)證了增材制造產(chǎn)品在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可行性，為增材制造在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨后，普惠·洛克達(dá)因公司又進(jìn)行了噴注器SLM制造的嘗試。

土星五號(hào)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器噴注器由噴注環(huán)、噴注盤(pán)等十余個(gè)零件組成，制造工序多，可靠性難以保證。2009年普惠·洛克達(dá)因公司使用SLM技術(shù)制造該噴注器，對(duì)其進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，零件數(shù)量?jī)H為1個(gè)，從而省去了電鍍、釬焊及機(jī)加等工序，大大提高了產(chǎn)品可靠性[2]。

除了土星五號(hào)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，洛克達(dá)因公司還在AR1發(fā)動(dòng)機(jī)以及SLS發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了噴注器SLM制造的嘗試。洛克達(dá)因公司首先于2015年初成功進(jìn)行了單噴嘴的SLM成形，隨后又嘗試了噴注器的整體成形，并通過(guò)了AR1發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)考核。同年，洛克達(dá)因公司與NASA合作，成功制造了SLS發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器，前后共試車(chē)11次，累積試車(chē)時(shí)間46秒，如圖1所示。

相比傳統(tǒng)加工技術(shù)，SLM制造可顯著縮短加工周期、降低成本，例如F-1發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器使用SLM制造后，加工時(shí)間節(jié)省60%，制造成本降低70%，重量減輕4.08 kg；使用傳統(tǒng)方法制造SLS發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器需要6個(gè)月時(shí)間，而使用SLM制造，從成形、拋光到無(wú)損檢測(cè)僅用40 h，同時(shí)制造成本降低50%。此外，傳統(tǒng)加工工藝需要十幾個(gè)零件分體制造，而SLM制造可以實(shí)現(xiàn)噴注器一體化成形，減少工序提高可靠性的同時(shí)，減輕了噴注器的重量[2]。

由于銅合金良好的導(dǎo)熱性能，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中大量使用以銅合金為內(nèi)壁的再生冷卻夾層結(jié)構(gòu)，但由于銅合金具有高熱導(dǎo)率、高反射率的特點(diǎn)，其激光增材制造制造成為國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。洛克達(dá)因公司開(kāi)展了大量銅合金推力室的激光增材制造技術(shù)研究，并與其他增材制造的零部件如噴注器等組成一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行了熱試車(chē)考核[3]。

2017年4月5日迄今為止世界上最大的銅合金全尺寸推力室(圖2)進(jìn)行了熱試車(chē)考核，洛克達(dá)因?qū)⒑罄m(xù)用該推力室取代當(dāng)前的RL-10C發(fā)動(dòng)機(jī)不銹鋼管束式推力室，獲得更優(yōu)的冷卻性能，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。

圖2 洛克達(dá)因公司測(cè)試3D打印銅合金推力室Fig.2 3D printed copper alloy thrust chamber tested in Rocketdyne

此外，洛克達(dá)因公司還在增材制造整機(jī)方面做了大量研究。

2014年12月15日對(duì)打印出的MPS-120整個(gè)衛(wèi)星微推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行試車(chē)考核，包括推進(jìn)劑系統(tǒng)組件、推力室、活塞及推進(jìn)劑貯箱。相比傳統(tǒng)加工方式，制造周期縮短至僅一個(gè)星期，制造能力提高5倍以上。這是首個(gè)通過(guò)增材制造的肼推進(jìn)系統(tǒng)，技術(shù)成熟度和制造成熟度高達(dá)6級(jí)，準(zhǔn)備后續(xù)用于立方星(CubeSat)的微推進(jìn)。此外，洛克達(dá)因公司還借助增材制造技術(shù)研發(fā)了MPS-110，MPS-130，MPS-120XW，MPS-120XL及MPS-160系列微推進(jìn)系統(tǒng)[4]。

同年，完全使用增材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)Baby Bantam通過(guò)試車(chē)考核，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧煤油作為推進(jìn)劑，推力僅2.3 t，是Bantam系列發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最小的。整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)僅由3個(gè)零件組成，研制成本減少65%[2]。

1.2 NASA應(yīng)用進(jìn)展

為了突破一批關(guān)鍵典型結(jié)構(gòu)件的增材制造工藝，驗(yàn)證增材制造在新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的應(yīng)用可行性，NASA提出了“增材制造驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)(Additive Manufacturing Demonstrator Engine，簡(jiǎn)稱(chēng)AMDE)”計(jì)劃。AMDE計(jì)劃提出將發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式從傳統(tǒng)的“分析-制造-測(cè)試”串行研制模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺治?制造/測(cè)試”并行研制模式，從而顯著縮短研制周期，提高增材制造部件的技術(shù)成熟度，預(yù)計(jì)僅用兩年半的時(shí)間研制出低成本的上面級(jí)空間發(fā)動(dòng)機(jī)。

AMDE計(jì)劃中的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)Pogo Z彈簧隔板、渦輪泵誘導(dǎo)輪、柔性接頭在使用增材制造后[5]，加工周期和研制成本較傳統(tǒng)加工方式均有顯著降低，其中Pogo Z彈簧隔板減少64%制造成本和75%加工時(shí)間，誘導(dǎo)輪減少50%制造成本和80%加工時(shí)間，柔性接頭經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后零件數(shù)量從45個(gè)減少到17個(gè)，焊縫從70多條減少到26條，大大提高了可靠性。使用增材制造實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)輪-離心輪、一二級(jí)葉輪的一體化成形。

在AMDE計(jì)劃中，NASA探索了增材制造噴注器工藝，對(duì)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)雙組元離心式噴注器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿(mǎn)足增材制造工藝要求，如圖3所示將切向孔方向與噴嘴軸線夾角改為45°，外底、中底和噴嘴合為一體，僅銅內(nèi)底需后續(xù)釬焊裝配，零件數(shù)量減到2個(gè)，產(chǎn)品成功通過(guò)熱試車(chē)考核[6]。

圖3 NASA測(cè)試液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)雙組元離心式噴注器Fig.3 3D printing bipropellant centrifugal injector for LOX/CH4 engine made in NASA

除了AMDE計(jì)劃，NASA還在2015年啟動(dòng)了《低成本上面級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)課題研究(Low Cost Upper Stage Propulsion task，簡(jiǎn)稱(chēng)LCUSP)》[7]，該課題由航天技術(shù)任務(wù)董事會(huì)下的“NASA顛覆性發(fā)展項(xiàng)目”贊助。LCUSP提出一種“組合增材制造技術(shù)”，即使用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)成形GRCop-84銅合金推力室?jiàn)A層結(jié)構(gòu)，隨后借助電子束自由制造(EBF)方式在銅外壁通過(guò)電子束熔化絲材成形Inconel 625鎳基高溫合金外壁。這種銅-鎳結(jié)構(gòu)用于取代傳統(tǒng)旋壓+機(jī)加+釬焊方式，制造成本降低75%，大幅縮減研發(fā)周期，也有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。2015年耗時(shí)10天零18個(gè)小時(shí)制造了世界上第一個(gè)全尺寸的銅質(zhì)推力室，在NASA蘭利研究中心成形高溫合金外壁后，順利通過(guò)后續(xù)熱試車(chē)考核。在此過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)攻克了銅-鎳基高溫合金界面缺陷控制、高溫合金外壁電子束成形路徑優(yōu)化等難題，保證了產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量，減小了殘余應(yīng)力(圖4)。該項(xiàng)目同樣資助了燃燒室、噴注器的激光選區(qū)熔化成形。

圖4 NASA 低成本上面級(jí)計(jì)劃及全尺寸銅合金推力室Fig.4 LCUSP plan of NASA and full-scale copper alloy thrust chamber

在LCUSP計(jì)劃研究成果的基礎(chǔ)上，NASA不斷提高SLM成形銅合金的技術(shù)成熟度，推出了一系列產(chǎn)品，包括上面級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖5所示。

圖5 NASA 增材制造液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)銅合金推力室Fig.5 3D printing LOX/CH4 copper alloy thrust chamber made in NASA

此外，NASA還探索了微小槽的增材制造工藝，成功成形出0.76～1.57 mm的再生冷卻通道，產(chǎn)品順利通過(guò)液流和熱試車(chē)考核，并應(yīng)用于Morpheus發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，制造周期縮短11個(gè)星期，制造成本降低30%[6]。

NASA還將增材制造技術(shù)用于渦輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)件。2015年試車(chē)的增材制造上面級(jí)氫泵服役溫度在-240 ℃，轉(zhuǎn)速范圍為500 00～920 00 r/min，單件產(chǎn)品累計(jì)試車(chē)250 s[6]。2016年測(cè)試了增材制造的甲烷渦輪泵，零件數(shù)量減少45%，工作環(huán)境為-159 ℃，可以產(chǎn)生447.42 kW，轉(zhuǎn)速高達(dá)36 000 r/min，通過(guò)了6次試車(chē)考核，表現(xiàn)良好[8]。

1.3 空客防務(wù)與航天公司應(yīng)用進(jìn)展

2015年6月空客測(cè)試了世界上第一個(gè)增材制造鉑銠合金推力室，共進(jìn)行618次點(diǎn)火，累積試車(chē)時(shí)間超過(guò)1 h。

從2013年起與GKN航空航天公司合作開(kāi)發(fā)阿里安6上面級(jí)Vulcain 2發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的新型成形工藝，使用激光焊代替釬焊制造銑槽式再生冷卻結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了噴管收擴(kuò)段夾層外壁和擴(kuò)張段加強(qiáng)箍的送絲式激光熔化沉積(LMD)成形。噴管出口直徑2.5 m，超過(guò)15 000 m的Inconel 625高溫合金絲材被沉積在噴管上，零部件數(shù)量減少90%，降低了40%的成本和30%的交付時(shí)間，產(chǎn)品已成功進(jìn)行兩次熱試車(chē)考核[9]。

圖6 GKN與空客合作3D打印Vulcain 2發(fā)動(dòng)機(jī)噴管Fig.6 3D printing Vulcain 2 engine nozzle from collaboration of GKN and Airbus

噴注器的制造水平影響著整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)霧化、混合及燃燒質(zhì)量，為有效防止串腔，提高噴注器工作可靠性，最優(yōu)的成型方案是在保證復(fù)雜流路尺寸精度及表面質(zhì)量要求下整體成型。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流體性能要求嚴(yán)格，使用增材制造難度極大?？湛凸緦?duì)增材制造阿里安6上面級(jí)Vulcain 2發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器噴注器做了細(xì)致的研究[10-11]。對(duì)噴注器設(shè)計(jì)(噴嘴孔徑)不斷迭代優(yōu)化，依次進(jìn)行了單噴嘴液流試驗(yàn)、試件點(diǎn)火試驗(yàn)以及全尺寸液流試驗(yàn)。結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的噴嘴無(wú)需經(jīng)過(guò)后續(xù)表面光整處理即可滿(mǎn)足流阻、壓降要求，燃燒效率與以往機(jī)加方案相當(dāng)，這對(duì)增材制造研制整體噴注器具有重大啟迪意義。圖7為研究邏輯圖。在此研究的基礎(chǔ)上，空客公司進(jìn)一步研究了增材制造的噴注器小孔優(yōu)化設(shè)計(jì)前后噴霧特性，并與傳統(tǒng)機(jī)械加工的噴嘴液流試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明三者相差不大，增材制造的噴嘴無(wú)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式上的優(yōu)化設(shè)計(jì)和表面光整處理即可滿(mǎn)足液流要求。部分研究成果見(jiàn)圖8，并被進(jìn)一步應(yīng)用于Vulcain 2發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器和Prometheus上面級(jí)、Vinci上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力室噴注器[12]。

圖7 空客3D打印Vulcain 2 GG噴嘴發(fā)展邏輯Fig.7 Development logic of 3D printing Vulcain 2 GG injector made in Airbus

空客與3D SYSTEM公司合作，開(kāi)發(fā)了新型衛(wèi)星推進(jìn)器輻射冷卻噴管(圖9)，這是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的報(bào)道，隨后澳大利亞莫納什大學(xué)也推出一種輕量化火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，在減重同時(shí)增大了輻射冷卻面積，實(shí)現(xiàn)高效換熱。

1.4 商業(yè)航天公司應(yīng)用進(jìn)展

在當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際航天發(fā)射市場(chǎng)，私營(yíng)商業(yè)航天公司異軍突起，借助增材制造技術(shù)加快新型號(hào)的研發(fā)和應(yīng)用。

2013年SpaceX公司成功通過(guò)EOS激光選區(qū)熔化設(shè)備制造龍飛船SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)[13]，該發(fā)動(dòng)機(jī)是龍飛船發(fā)射中止系統(tǒng)(LAS)的重要裝置，能在龍飛船發(fā)射失敗時(shí)幫助宇航員逃逸，單臺(tái)最大推力為6.8 t，推力可在20%～100%調(diào)節(jié)并多次啟動(dòng)，共有8臺(tái)。目前已進(jìn)行80次熱試車(chē)，總時(shí)間超過(guò)300 s。 SLM成形獵鷹9號(hào)火箭merlin1D發(fā)動(dòng)機(jī)主氧化劑閥門(mén)(MOV)，周期從數(shù)月縮短至不到2 d，最終于2014年1月6日飛行。這是SpaceX公司的增材制造產(chǎn)品首次通過(guò)飛行考核[13]。在2016年最新推出的世界上第一款“全流量分級(jí)燃燒循環(huán)”300 t級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)猛禽Raptor中，推進(jìn)劑閥、渦輪泵和噴注器組件采用增材制造，占發(fā)動(dòng)機(jī)總重30%，已通過(guò)試車(chē)考核。

圖8 空客研發(fā)3D打印噴注器Fig.8 3D printing injector developed by Airbus

圖9 周期性點(diǎn)陣材料應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室Fig.9 3D printed lattice material applied to thrust chamber

藍(lán)色起源公司推出BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，其中氧增壓泵(殼體為鋁合金，葉輪為鎳基高溫合金)、渦輪噴嘴和轉(zhuǎn)子均使用增材制造。圖10為spacex與A藍(lán)色起源公司增材制造的產(chǎn)品。

新西蘭商業(yè)火箭公司Rocket Lab推出了世界上首枚使用電動(dòng)泵的火箭Electron，其Rutherford液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)中使用電子束選區(qū)熔化(EBM技術(shù))完成了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、泵、閥門(mén)和噴注器的制造(圖11)，于2017年5月25日進(jìn)行了飛行考核，一二級(jí)成功分離，但最終未能將有效載荷送至近地軌道。

Vector Space System公司開(kāi)發(fā)造價(jià)100萬(wàn)美元的微型商業(yè)運(yùn)載火箭，其中液氧丙烯發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器采用整體增材制造成形，2016年12月試車(chē)成功，2017年6月火箭首飛成功。

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例

國(guó)內(nèi)以國(guó)防科技工業(yè)航天特種構(gòu)件增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心主依托單位-西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司為代表的增材制造工程化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)企業(yè)也及時(shí)開(kāi)展了激光選區(qū)熔化和激光熔化沉積兩種增材制造工藝技術(shù)研究和成形產(chǎn)品的工程化應(yīng)用，突破并實(shí)現(xiàn)了增材制造技術(shù)在中國(guó)航天液體動(dòng)力制造中的應(yīng)用。

圖10 SpaceX 3D打印Super Draco和藍(lán)色起源公司部分產(chǎn)品Fig.10 3D printing SuperDraco partial products made by SpaceX and Blue Origin

圖11 Rocket Lab 3D打印Rutherford液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.11 3D printing Rutherford LOX/methane engine made by Rocket lab

2016年9月，裝配增材制造離心輪的18 t液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行長(zhǎng)程試車(chē)，這是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用了增材制造技術(shù)制造高速轉(zhuǎn)動(dòng)件通過(guò)試車(chē)考核；2016年11月3日CZ-5運(yùn)載火箭首飛成功，遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的起動(dòng)器、發(fā)生器出口管采用增材制造技術(shù)制造，這是增材制造產(chǎn)品首次助力我國(guó)航天液體動(dòng)力實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)想。2017年6月15日增材制造的排氣管保障了新型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的成功首飛，將我國(guó)首顆X射線空間天文望遠(yuǎn)鏡送人太空。

西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司還將增材制造技術(shù)應(yīng)用到液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流珊，某姿控發(fā)動(dòng)機(jī)TC4常平環(huán)、某型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器隔板加強(qiáng)肋，RBCC燃燒室頭部和身部、火星探測(cè)器巡視器法蘭框及某姿控發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體、輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支板等關(guān)鍵零件研制上部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

在重型運(yùn)載火箭液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面，增材制造技術(shù)也發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì)，在120 t液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)離心輪研制技術(shù)積累上實(shí)現(xiàn)了重載液氧一級(jí)泵、二級(jí)泵離心輪的激光增材制造，同時(shí)探索出航天專(zhuān)用材料S-04鋼的激光熔化沉積工藝和熱處理工藝，對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行了充分挖潛，順利成形出了我國(guó)首個(gè)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸關(guān)鍵承力構(gòu)件常平環(huán)毛坯，與鍛坯相比加工周期縮短80%，材料利用率提高70%(圖12)。

首都航天機(jī)械公司于2015年10月采用SLM技術(shù)成形出某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)篩孔渦流器，并順利通過(guò)流量試驗(yàn)考核，隨后也突破了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉輪SLM成形技術(shù)，北京動(dòng)力機(jī)械研究所以新型航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵研制為背景，針對(duì)核心零件油冷渦輪葉片軸轉(zhuǎn)子開(kāi)展增材制造技術(shù)工程應(yīng)用研究，成形出的復(fù)雜狹長(zhǎng)內(nèi)通道轉(zhuǎn)子換熱效率提高90%，解決了渦輪泵高溫?zé)岱雷o(hù)技術(shù)難題，產(chǎn)品順利通過(guò)高溫考核試驗(yàn)。

2 分析與展望

2.1 異種材料推力室?jiàn)A層結(jié)構(gòu)增材制造

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中許多關(guān)鍵部件具有異種材料夾層結(jié)構(gòu)，如推力室、燃?xì)獍l(fā)生器身部及蒸發(fā)器等。傳統(tǒng)“機(jī)加+釬焊”的工藝方法存在周期長(zhǎng)、成本高、可靠性低等不足[10]。NASA創(chuàng)造性的采用“SLM+EBF”的組合增材制造技術(shù)制造銅-鎳基高溫合金推力室，為異種材料夾層結(jié)構(gòu)零件的成形提供了新的技術(shù)途徑，并展示了顯著優(yōu)勢(shì)?！敖M合”的思想也為我們提供了更多的啟迪。增材制造技術(shù)包含多種成形技術(shù)(如SLM，EBF，LMD，WAAM等)，每種技術(shù)既具有自身的優(yōu)勢(shì)也存在各自的弊端。不局限于“SLM+EBF”的組合方法，對(duì)現(xiàn)有增材制造技術(shù)“組合”的積極探索將能夠打破單一技術(shù)的桎梏，拓寬增材制造技術(shù)的使用范圍。另外，增材制造技術(shù)具有開(kāi)放性，也能夠與其他傳統(tǒng)工藝方法“組合”。例如在鑄造和鍛造等制造過(guò)程中，將易產(chǎn)生缺陷、難以加工的部位預(yù)先去除，后期通過(guò)增材造的方法實(shí)現(xiàn)此類(lèi)部位的成形，將能夠有效提升傳統(tǒng)工藝的合格率與可靠性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的優(yōu)化。

2.2 噴注器設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)迭代優(yōu)化

國(guó)外知名航天企業(yè)均采用增材制造成形出了噴注器，并通過(guò)熱試車(chē)考核，其中一些企業(yè)的技術(shù)路線頗具借鑒意義。洛克達(dá)因公司經(jīng)歷了多噴嘴噴注器試車(chē)、集成化噴注器試車(chē)及一體化推力室試車(chē)的增材制造發(fā)展路線；從多篇空客防務(wù)與航天公司在歐洲宇航大會(huì)上發(fā)表的會(huì)議論文可以看出，一體化噴注器的制造工藝路線是：噴注器基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計(jì)、單噴嘴液流試驗(yàn)、縮比件點(diǎn)火試驗(yàn)及全尺寸液流試驗(yàn)。其過(guò)程是個(gè)閉環(huán)、反復(fù)迭代優(yōu)化的過(guò)程，最終成形的一體化噴注器無(wú)需表面光整后處理即可滿(mǎn)足流阻系數(shù)、壓降、燃燒效率等要求。增材制造的工藝特性決定了其表面粗糙度不能與機(jī)械加工相比，但可以通過(guò)同時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝的方法最終到達(dá)預(yù)期效果。

2.3 立方星微推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)制造

立方星作為未來(lái)微小衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)之一，增材制造能很好地適應(yīng)其尺寸小、模塊化、研制周期短等特點(diǎn)。立方星微推進(jìn)系統(tǒng)借助增材制造可快速實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)功能件的成形和驗(yàn)證，甚至實(shí)現(xiàn)一次打印出僅為一個(gè)零件的整套推進(jìn)系統(tǒng)。洛克達(dá)因公司借助增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其MPS立方星推進(jìn)系統(tǒng)系列化的快速研制和迭代優(yōu)化，對(duì)我國(guó)發(fā)展推動(dòng)立方星的工程化具有一定啟發(fā)作用。

2.4 多孔點(diǎn)陣材料的應(yīng)用展望

周期性多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屬于多孔材料的一種，由數(shù)量眾多的微桁架結(jié)構(gòu)元胞組成，單個(gè)孔隙尺寸為毫米級(jí)甚至微米級(jí)且可調(diào)控，既可作為結(jié)構(gòu)使用經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)方法研究，也可作為連續(xù)介質(zhì)材料來(lái)分析。三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、防沖擊、減振降噪、隔熱保溫、散熱、生物相容等特點(diǎn)，同時(shí)將上述兩種以上功能相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多功能用途[15]。傳統(tǒng)制備工藝熔模鑄造、擠壓法、組裝-釬焊法及三維編織法等，存在工序多、周期長(zhǎng)、成本高及可靠性難以保證等問(wèn)題，制約了該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，而激光增材制造技術(shù)和專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件使該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和大規(guī)模制備得以實(shí)現(xiàn)。

周期性多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上具有一定的應(yīng)用前景：

1)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝直屬件減重。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為是一種對(duì)微實(shí)體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化并陣列的輕量化結(jié)構(gòu)，低孔隙率點(diǎn)陣可承受一定的壓縮和剪切載荷。若用于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、常平環(huán)等力學(xué)環(huán)境單一結(jié)構(gòu)件可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，并且1：1地提高有效載荷重量。

2)作為熱端冷卻材料。使用增材制造技術(shù)制備的高熔點(diǎn)低孔隙率點(diǎn)陣可以作為發(fā)汗冷卻的基體，隨后在內(nèi)部加入低熔點(diǎn)金屬粉末顆粒得到冷卻劑；周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為通孔孔隙，冷卻介質(zhì)流經(jīng)通孔即達(dá)到發(fā)汗冷卻目的，且相比于銑槽具有更好的剛度。

3 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)普惠洛克達(dá)因公司、NASA、太空探索技術(shù)公司(SpaceX)、藍(lán)色起源公司、Rocket Lab公司、空客防務(wù)與航天公司及西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司等國(guó)內(nèi)外航天企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)將增材制造技術(shù)大量應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制。本文對(duì)其產(chǎn)品成形工藝、技術(shù)路線、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹，分析了其對(duì)我國(guó)開(kāi)展增材制造成形銅鋼再生冷卻夾層結(jié)構(gòu)、一體化噴注器、立方星微推進(jìn)系統(tǒng)等精密復(fù)雜特種構(gòu)件的啟示，并對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)多孔點(diǎn)陣材料在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了展望，為增材制造技術(shù)更好應(yīng)用于航天液體動(dòng)力提供新的解決思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉紅.先進(jìn)制造技術(shù)助力“太空發(fā)射系統(tǒng)”研制[J]國(guó)防制造技術(shù)，2013(4):5-7

[2] HAYNES J. Additive manufacturing development methodology for liquid rocket engines [C]// Proceedings of Quality in the Space and Defense Industry Forum. Cape Canaveral， USA: [s.n.]， 2017: 111-121.

[3] BUTLER A. Aerojet rockedyne embracing 3D printing for AR1 [J]. Aerospace daily&defense report， 2015， 252(5): 4.

[4] SCHMULAND D， CARPENTER C B. New insight into additive manufacturing processes [C]// Proceedings of Small Satellite Conference on Enabling Low-Cost， High-Impulse Propulsion Systems. logan Utah: [s.n.]， 2013: 12-18.

[5] DANIEL J， LEVACK H，WILLIAM F. Family of aerojet rocketdyne commercial rocket engines：AIAA 2013-545[R].USA： AIAA，2013.

[6] THOMAS D. Center overview and additive manufacturing at MSFC [R]. USA: AIAA Technical Committee on Management， 2014.

[7] WERKHEISER N. Overview of NASA initiatives in 3D printing and additive manufacturing [R]. Birminghan: 2014 DOD Maitenance Symposium， 2014.

[8] PROTZ C， BOWMAN R. Additive Manufacturing of Low Cost Upper Stage Propulsion components[EB/OL]. [2011-04-07]. hppt://www.ntrs.nasa.gov/sear...j.

[9] PAUL R G, SANDY E G. Development and hot-fire testing of additively manufactured copper combustion chambers for liquid rocket engine applications：AIAA 2017-4670[R].USA： AIAA，2017.

[10] MCMAHAN T. NASA tests 3D printed rocket fuel pump and paves way for 3D-printed demonstrator engine [J]. Designfax，2015， 11(34): 12.

[11] HONOR E M. Structural strengthening of rocket nozzle extension by means of laser metal deposition [J]. Proceedings of SPIE， 2012， 8239: 823905-1.

[12]TOMAS D, LISE B,MICHAEL H.Demonstration of a laser welded channel wall nozzle-vulcain 2 Scale：AIAA 2006-4369[R].USA： AIAA，2006.

[13] SOLLER S. Selective laser melting (SLM) of Inconel 718 and stainless steel injectors for liquid rocket engines [C]// 6th European Conference for Aerospace Sciences.[S.l.]:[s.n.]， 2015: 11-18.

[14] SOLLER S， BEYER S， DAHLHAUS A. Development of liquid rocket engine injectors using additive manufacturing [C]// 6th European Conference For Aerospace Sciences. [S.l.]:[s.n.]， 2015: 130-139.

[15]SOLLER S， BEHR R， BEYER S， et al. Design and testing of liquid propellant injectors for additive manufacturing [C]// 7th European Conference For Aerospace Sciences. [S.l.]:[ s.n.]，2017: 210-217.

[16] IANNETTI A,GIRARD N.ALOX/LCH4reusable rocket engine[C]//7th European conference for aeronautics and space sciences. [S.1.]: [s.n.],2017:537-547.

[17] Space X. SpaceX completes qualification testing of superdraco thruster [EB/OL]. [2014-05-27]. http://www.spacex.com/press.

[18] 白靜,楊歡慶.TC4鈦合金噴注器殼體激光選區(qū)熔化成形技術(shù)研究[C]//2017年航天先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集.深圳:[s.n.],2017:223-233.

[19] 李護(hù)林,楊歡慶.激光選區(qū)熔化成形技術(shù)在航天領(lǐng)域的深化應(yīng)用[C]//2017年航天先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集. 深圳:[s.n.],2017:137-148.

[20] 鄭偉，李護(hù)林，陳新紅.激光快速成形技術(shù)在液體動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J]火箭推進(jìn)，2015，41(6)：1-6.

ZHENG Wei， LI Hulin， CHEN Xinhong. Application prospect of laser rapid prototyping technology in the field of liquid power [J]. Journal of rocket propulsion， 2015，41(6):1-6.

[21]盧天健，何德坪，陳常青，趙長(zhǎng)穎，方岱寧，王曉林. 超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用[J]力學(xué)進(jìn)展.2006，36(4).517-535.

[22]左蔚，宋夢(mèng)華，楊歡慶，等.激光選區(qū)熔化周期性三維點(diǎn)陣材料研究與工程應(yīng)用[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)液體火箭推進(jìn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2017年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 西安:[s.n.],2017:230-238.