增材制造技術在國外航天動力系統(tǒng)中的應用

倪江濤，隋 陽，劉 涵，陳 帥，李東來

（1. 首都航天機械有限公司，北京，100076；2. 北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

0 引 言

航天發(fā)動機作為運載火箭的心臟，是決定進入太空能力的重要環(huán)節(jié)。為滿足空間技術的飛速發(fā)展，航天動力產(chǎn)品一方面朝著整體化、輕量化和高可靠的方向發(fā)展，另一方面，為適應商業(yè)競爭新態(tài)勢，需大幅降低發(fā)動機研制周期和成本。通過采用增材制造技術實現(xiàn)航天發(fā)動機復雜整體構件制造，以降低研制成本和周期，已成為國內(nèi)外研究的熱點。

本文針對面向增材制造的航天動力系統(tǒng)結構優(yōu)化設計、工藝開發(fā)、無損檢測等方面進行介紹，總結目前增材制造技術在航天動力系統(tǒng)中的應用研究情況。

1 面向增材制造的結構優(yōu)化設計

基于傳統(tǒng)工藝設計的渦輪泵殼體、噴注器等復雜發(fā)動機部件，如果僅僅是簡單的將多個零件合為一個，采用增材制造工藝成形，雖然減少了焊縫數(shù)量，但并不能最大限度地發(fā)揮增材制造技術的優(yōu)勢。這是因為基于傳統(tǒng)工藝設計的零件，沒有充分考慮增材制造的受幾何形狀約束小、性能高等優(yōu)點。為最大限度提高復雜構件性能，需根據(jù)增材制造工藝特點，研發(fā)復雜構件整體化、功能結構一體化的優(yōu)化設計方法。

美國NASA 針對航天發(fā)動機噴注器開展了結構優(yōu)化設計研究，不僅實現(xiàn)了噴注器的一體化設計，同時針對噴注器的局部特征結構進行了面向增材制造的設計（Design for Additive Manufacturing，DfAM），內(nèi)部懸臂部位實現(xiàn)了自支撐優(yōu)化設計，解決了噴注器一體化設計后內(nèi)部支撐無法去除的難題，最終實現(xiàn)噴注器由100 多個零件集成為2 個零件（見圖1），研制周期由6 個月縮短為1 個月。

圖1 NASA 航天發(fā)動機噴注器設計方案對比Fig.1 The Design Comparison of Injector in NASA

航天發(fā)動機一般采用再生冷卻推力室，內(nèi)部含密排內(nèi)流道結構。為了實現(xiàn)冷卻效率的最大化，同時滿足制造工藝的約束限制，NASA 針對增材制造推力室流道截面形狀開展了優(yōu)化設計研究（見圖2），流道截面涵蓋了傳統(tǒng)的矩形以及新式的圓形、橢圓形、半圓形等形狀，為基于增材制造的一體化推力室設計、制造奠定了基礎。

圖2 一體化冷卻流道截面結構Fig.2 Examples of Various Integrated Channel Wall Structures

德國軟件企業(yè)Hyperganic 開發(fā)了一種面向增材制造的體素級設計軟件，通過算法實現(xiàn)火箭發(fā)動機推力室建模過程的數(shù)字進化，進化過程中將生成數(shù)百種變體模型，算法對這些模型進行物理仿真驗證，篩選出最適合的模型（見圖3），最終創(chuàng)建結構-功能一體化的仿生結構推力室。

圖3 Hyperganic 智能算法設計的推力室Fig.3 Hyperganic Prototype Rocket Nozzle

2 航天動力系統(tǒng)增材制造工藝開發(fā)

2.1 推力室增材制造

美國航天技術公司Launcher 一直致力于將增材制造技術用于火箭發(fā)動機的研發(fā)。2020 年，該公司采用EOS 開發(fā)的M4K 型3D 打印機（450 mm×450 mm×1000 mm），完成了E-2 火箭發(fā)動機全尺寸鉻鋯銅合金推力室的研制，高達1 m，是迄今為止世界上最大的單一組成部分增材制造推力室。

圖4 Launcher 公司增材制造的銅合金推力室Fig.4 The Copper Thruster Developed by Launcher

NASA 馬歇爾航天飛行中心（Marshall Space Flight Center，MSFC）主導開展低成本上面級推進（Low Cost Upper Stage Propulsion，LCUSP）項目研究，研發(fā)人員開發(fā)了增材制造專用的導熱性好、高溫蠕變性能與強度 優(yōu) 異 的 析 出 強 化 GRCop-84 鉻 鈮 銅（Cu-8at.%Cr-4at.%Nb），采用激光選區(qū)熔化成形技術（Selective Laser Melting，SLM）研制了GRCop-84 鉻鈮銅和C18150 鉻鋯銅推力室身部（見圖5），并進行了熱試車考核試驗（見圖6），GRCop-84 銅合金推力室身部和C18150 鉻鋯銅推力室身部分別累積進行了2365 s 和1443 s 的考核試驗，未發(fā)生失效。

圖5 SLM 成形的GRCop-84 身部（左）與C18150 身部（右）Fig.5 SLMed Combustion Chamber: GRCop-84 (left) and C18150 (right)

圖6 GRCop-84 身部（左）與C18150 身部（右）熱試車Fig.6 Hot-fire Testing of SLMed Combustion Chamber:GRCop-84 (left) and C18150 (right)

2018 年，NASA 啟動了LCUSP 項目的后繼項目，即快速分析和制造推進技術項目（Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology，RAMPT），該項目的核心技術之一是開發(fā)雙金屬燃燒室增材制造技術。在 RAMPT 項目的支持下，研發(fā)人員開發(fā)了GRCop42 鉻鈮銅（Cu-4at.%Cr-2at.%Nb），強度與GRCop84 相當，但具有更高的導熱率。圖7 為SLM成形的不同結構的GRCop42 銅合金推力室內(nèi)壁。同時，RAMPT 項目對比研究了冷噴涂、激光同軸送粉熔化沉積（BP-DED）、電子束送絲增材制造（EBF）等技術成形銅合金-高溫合金雙金屬結構的可行性（見圖8）。

圖7 SLM 成形的不同推力GRCop42 銅合金推力室Fig.7 SLMed Copper Thruster with Different Forces

圖8 SLM 成形的不同推力GRCop42 銅合金推力室Fig.8 SLMed Copper Thruster with Different Forces

2.2 噴管增材制造

噴管是發(fā)動機核心部件，一般采用再生冷卻夾層流道結構。針對SLM 技術難以成形大尺寸噴管延伸段的難題，NASA 提出了一種復合增材制造方案：電弧熔絲增材制造成形內(nèi)壁，銑切溝槽，然后激光熔絲直接成形外壁（Laser Wire Direct Closeout，LWDC）?；贛IG 熱源電弧熔絲增材制造的噴管內(nèi)壁，相較于傳統(tǒng)的鍛造板材+旋壓的生產(chǎn)方式，其具有更高的生產(chǎn)效率，目前已完成了Inconel 625 和Haynes 230溝槽內(nèi)壁毛坯件的研制。電弧增材的內(nèi)壁毛坯件內(nèi)外表面精加工后，采用磨料水射流銑削的方法制備溝槽，再通過LWDC 技術直接沉積外壁，如圖9 所示。產(chǎn)品通過了9 次880 s 點火實驗，測試期間狀態(tài)良好，無異常情況，驗證了技術方案和產(chǎn)品的可靠性。

圖9 噴管復合制造流程Fig.9 Combined Manufacturing of Nozzle

在RAMPT 項目的支持下，NASA 研究人員開展了整體噴管的激光送粉沉積（BP-DED）技術研究，成功試制了帶冷卻流道的整體噴管（Φ1016 mm×965 mm，見圖10），經(jīng)結構光檢測，噴管尺寸精度達到0.5 mm。此外，研究人員還開展了激光粉末床增材（L-PBF）GRCop-42 推力室與激光送粉沉積（BP-DED）HR-1噴管復合制造工藝研究（見圖11），該方案由于省去了集合器等結構，有望實現(xiàn)發(fā)動機的進一步減重。

圖10 激光送粉沉積整體噴管（Φ1016mm×965mm）Fig.10 Integral Channel BP-DED Nozzle

圖11 L-PBF 推力室/BP-DED 噴管復合制造Fig.11 Coupled BP-DED Nozzle with L-PBF Chamber Development

3 增材制造航天發(fā)動機無損檢測

航天發(fā)動機類產(chǎn)品結構復雜，集成化設計后常規(guī)檢測方法難以實現(xiàn)100%檢測，存在較多的檢測盲區(qū)，特別是針對密排內(nèi)流道結構，其內(nèi)部質(zhì)量、表面粗糙度等方面需要探索新的檢測技術來實現(xiàn)有效可靠檢測。NASA 針對航天發(fā)動機推力室內(nèi)流道結構開展了結構光掃描、工業(yè)CT 掃描等無損檢測技術研究（見圖12）。

圖12 推力室無損檢測Fig.12 Non-destructive Testing of Thruster

通過結構光掃描可以對推力室增材制造的不同階段（成形、熱處理、線切割等）進行外形輪廓檢測記錄，分析推力室整個制造流程中的變形規(guī)律。通過工業(yè)CT 可以對推力室內(nèi)部質(zhì)量以及流道截面形狀進行有效檢測。

4 結束語

增材制造技術在新一代航天動力系統(tǒng)的研制過程中發(fā)揮了重要作用，極大地推動了航天發(fā)動機噴注器、推力室、噴管等產(chǎn)品的整體化、輕量化進程，目前仍需系統(tǒng)、深入開展基于增材制理念的航天發(fā)動機結構設計、材料及工藝開發(fā)、質(zhì)量檢測評估等方面的研究，建立成熟的“設計-材料-工藝-檢測-標準”體系，為增材制造技術在航天動力系統(tǒng)中的廣泛應用奠定基礎。