基于增材制造的液氧/煤油推力室噴注器分析

熊 劍,肖 虹,李龍飛,劉昭宇

(西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

隨著國內(nèi)外商業(yè)航天的快速發(fā)展,航天液體動力系統(tǒng)面臨日益激烈的競爭環(huán)境,未來航天液體動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢是無毒、無污染、高可靠性、高性能和低成本。推力室噴注器作為航天液體動力系統(tǒng)的核心組件,對動力系統(tǒng)的性能和可靠性起著關(guān)鍵作用,同時也是動力系統(tǒng)中加工制造最復(fù)雜和要求最苛刻的部分。一方面,噴注器工作時需要承受極端的溫度和壓力,將氧化劑和燃料分別按照要求的流量和壓力供應(yīng)至燃燒室,迅速完成霧化、混合和燃燒過程;另一方面,噴注器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件數(shù)量多,傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式采用“機加零件—組裝—釬焊”的模式生產(chǎn),加工、檢驗、多次試驗等過程使噴注器的生產(chǎn)成本和周期居高不下,并且針對噴注器復(fù)雜結(jié)構(gòu)中存在質(zhì)量難以控制和檢測的焊縫,可靠性有進(jìn)一步提高的空間。

增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù),是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運用粉狀金屬等材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。該技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢,如通過拓?fù)鋬?yōu)化實現(xiàn)產(chǎn)品減質(zhì);一體化設(shè)計生產(chǎn),有效減少中間過程、零件和焊縫數(shù)量,從而顯著提高結(jié)構(gòu)可靠性和縮短研制周期等。

對于液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機,采用3D打印整體制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高昂的噴注器具有突出的優(yōu)點。近些年來,世界范圍內(nèi)航空航天公司對3D打印技術(shù)在液體火箭發(fā)動機研制上的應(yīng)用進(jìn)行了積極研究?？湛头绖?wù)和航天公司從粉末和材料的特性到設(shè)計概念再到無損檢測技術(shù)對采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)發(fā)動機噴注器進(jìn)行了全面研究,并對“Vulcain2”發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器和“Vinci”發(fā)動機的噴注器進(jìn)行了3D打印生產(chǎn)并成功熱試,實現(xiàn)了減質(zhì)和大幅降低成本[2-8]。2013年,NASA與Rocketdyne公司在格林研究中心成功完成了LOx/GH2噴注器在3 316 ℃高溫下的系列點火試驗,驗證了利用SLM技術(shù)設(shè)計、制造和試驗關(guān)鍵火箭發(fā)動機組件的能力。與傳統(tǒng)制造工藝相比,該項技術(shù)將噴注器的制造時間從12個月減少為4個月,制造成本降低了70%[9-10]。2015年,美國Rocketdyne公司開展了AR-1火箭發(fā)動機3D打印主噴注器系列熱試車,并取得成功[9]。2017年,德國基于SMILE項目研制了3D打印推力室噴注器,材料為Ni718(A),并成功完成熱試[11]。2022年4月21日,Relativity在NASA斯坦尼斯航天中心對使用3D打印技術(shù)開發(fā)的使用LOx/煤油推進(jìn)劑的E-2火箭發(fā)動機進(jìn)行推力測試,10 MPa燃燒壓力下推力達(dá)到100 kN左右。我國航空航天領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展[12-14],已通過3D打印技術(shù)成功生產(chǎn)出燃?xì)獍l(fā)生器噴注器、噴注器殼體、推力室身部等,并通過考核。西安航天動力研究所某燃?xì)獍l(fā)生器基于3D打印成功完成了熱試考核。深藍(lán)航天采用3D打印的液氧/煤油推力室進(jìn)行了長程試車。截至目前,受推力室噴注器工作環(huán)境惡劣以及3D打印技術(shù)的限制,國內(nèi)火箭發(fā)動機推力室噴注器采用全3D打印的公開研究工作較少。本文針對某型液氧/煤油推力室噴注器開展了全3D打印應(yīng)用研究,具有較大的工程應(yīng)用意義。

1 基于3D打印的噴注器設(shè)計

1.1 參數(shù)設(shè)計

針對某型液氧/煤油發(fā)動機推力室噴注器全3D打印研究,給出了推力室噴注器的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 推力室噴注器設(shè)計參數(shù)

1.2 噴注器集成設(shè)計

噴注器是推力室中最重要的結(jié)構(gòu),其功能是在設(shè)計的噴注壓力和流量下,將推進(jìn)劑均勻地噴入燃燒室,并迅速完成霧化、混合過程,同時保證合理的混合比分布和質(zhì)量分布。

傳統(tǒng)的離心噴注器采用機械加工的方式生產(chǎn),一般為兩底(中底、內(nèi)底)兩腔(氧化劑腔和燃料腔)結(jié)構(gòu),在中底和內(nèi)底之間裝配有幾個、幾十個甚至幾百個由內(nèi)外殼體組成的噴注單元,這些噴注單元與中底、內(nèi)底之間采用釬焊連接,導(dǎo)致焊縫數(shù)量眾多,對加工制造和焊接工藝要求高,同時存在焊縫質(zhì)量檢測困難等難題。本文研究的噴注器將中底、內(nèi)底和7個噴注單元一體設(shè)計,采用3D打印技術(shù)整體打印。噴注器設(shè)計時重點針對3D打印要求進(jìn)行了如下優(yōu)化。①氧化劑腔和燃料腔全部設(shè)計為敞口結(jié)構(gòu),一方面有利于去除粉末,另一方面便于檢查噴注器的成型質(zhì)量,如噴注小孔的形貌、一致性等。②噴注器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了避免出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法打印或者打印質(zhì)量不高的問題,必須考慮打印方向。由于該噴注器噴注單元內(nèi)殼體相對外殼體有一定的縮進(jìn),并且內(nèi)殼體端頭對成型質(zhì)量要求較高,不能通過加支撐的方式進(jìn)行打印,因此噴注器采用倒立打印的方式,保證噴注單元內(nèi)外殼體直接打印成型,見圖1(b)。③打印方向及噴注器結(jié)構(gòu)特點決定了該產(chǎn)品必然存在懸空面,根據(jù)3D打印成型技術(shù)要求,需要在懸空面增加支撐結(jié)構(gòu)。④噴注單元與內(nèi)底、中底相交位置應(yīng)光滑過渡,減小應(yīng)力集中,提高結(jié)構(gòu)強度。⑤噴注器上集成測壓孔等。

圖1 機加和3D打印噴注器對比Fig.1 Comparison of machined and 3D printed injector

由圖1可以看出,相比機加噴注器,打印噴注器零件數(shù)量由16件減至1件,內(nèi)外殼體之間的焊縫以及噴注單元與內(nèi)底、中底之間的焊縫共 21條全部取消,避免了釬焊縫泄漏的風(fēng)險,有效降低了噴注器的加工成本和質(zhì)量風(fēng)險,提高了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固有可靠性。

1.3 材料選擇

噴注器工作時需要承受較高的熱應(yīng)力和溫度,要求材料具有良好的導(dǎo)熱特性和較高的強度。通常情況下,低壓低熱流推力室噴注器一般選用不銹鋼材料,高壓高熱流推力室噴注器冷卻結(jié)構(gòu)選用銅合金材料。目前常見的金屬打印材料包括鎳基高溫合金、不銹鋼、低熔點金屬(鋁合金)等,國內(nèi)在銅合金打印方面技術(shù)不成熟,同時也不具備高精度異種材料的打印能力,這在一定程度上限制了3D打印技術(shù)在推力室噴注器上的應(yīng)用。

為了選取合適的噴注器材料,開展了不同材料單噴嘴的長程熱試,結(jié)果表明采取合適的冷卻措施后不銹鋼材料能夠適應(yīng)使用環(huán)境。不銹鋼粉末打印技術(shù)成熟,因此,選擇不銹鋼作為3D打印噴注器的材料。

1.4 生產(chǎn)步驟

圖2為3D打印噴注器的生產(chǎn)步驟。以不銹鋼粉末為原料,通過逐層鋪粉,利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的金屬粉末薄層,逐層熔凝堆積,成型出高致密度的三維零件。再經(jīng)過多余粉末去除、熱處理、去支撐、質(zhì)量檢測等后處理流程,即可完成噴注器的加工。

1.5 噴嘴流量特性

整體打印噴注器的噴注單元受結(jié)構(gòu)限制,很難通過機械加工的方式進(jìn)行小孔等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的檢測和返修。3D打印工藝路線的選擇和產(chǎn)品后處理模式直接決定了噴注器的流量特性和噴霧均勻性。由于試驗條件的限制,無法直接對噴注器噴霧均勻性進(jìn)行有效檢測,因此有必要進(jìn)行單噴嘴試制,以固化制造工藝提高噴注器噴嘴的一致性。具體過程為：①根據(jù)要求設(shè)計單噴嘴結(jié)構(gòu);②確定3D打印工藝參數(shù)和后處理工藝流程;③進(jìn)行噴嘴打印;④通過液流試驗確認(rèn)并量化3D打印噴嘴流量特性、霧化效果、噴霧錐角等。通過“打印—試驗—優(yōu)化—再打印—再試驗—再優(yōu)化……”多輪迭代,來保證3D打印的噴嘴特性滿足使用要求。

表2給出了兩種類型打印噴嘴流量系數(shù)的統(tǒng)計。兩種類型噴嘴切向孔尺寸和數(shù)量不同?？梢钥闯黾词贡砻嫖催M(jìn)行處理的打印噴嘴流量系數(shù)一致性也較好,并且隨著表面處理時間的增加,流量系數(shù)一致性進(jìn)一步變好,但流量系數(shù)變化量逐步變小。主要原因是經(jīng)表面處理后,噴嘴表面粗糙度降低,流量系數(shù)相應(yīng)增加;隨著處理時間增加,噴嘴表面逐漸光滑,粗糙度下降有限,對應(yīng)流量系數(shù)變化量逐步變小。

表2 噴嘴流量系數(shù)

圖3給出了表面未進(jìn)行處理的打印噴嘴的霧化均勻性試驗結(jié)果。可以看出噴嘴的噴霧不均勻性系數(shù)達(dá)到5.2,遠(yuǎn)高于機加噴嘴,表面處理后粗糙度降低,噴霧不均勻性系數(shù)隨之降低,相對機加噴嘴仍偏大15%左右。打印噴嘴霧化均勻性較差的主要原因是打印噴嘴的切向孔為不規(guī)則孔,各孔形態(tài)不同造成噴出的液膜周向不均勻。

圖3 3D打印噴嘴均勻性試驗結(jié)果Fig.3 Uniformity test results of 3D printed

圖4給出了打印和機加噴注器在低壓降下的霧化狀態(tài),結(jié)果表明兩種產(chǎn)品的噴霧角及霧化效果相當(dāng)。

圖4 噴注器液流霧化狀態(tài)對比Fig.4 Comparison of atomization status

1.6 成型質(zhì)量檢查

噴注器的成型質(zhì)量決定了噴注器的可靠性和工作性能。圖5為噴注器樣件的剖切檢查。可以看出中心線剖面上噴注器成型狀態(tài)良好,無可見變形和塌陷,噴嘴噴注小孔無堵塞、掛渣等缺陷,復(fù)查噴嘴尺寸一致性良好。前期噴注器剖切檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)底局部出現(xiàn)非貫穿性氣孔,不影響噴注器的功能但存在質(zhì)量隱患,后期通過優(yōu)化打印參數(shù)(如打印速度等)消除了該缺陷,滿足了設(shè)計要求。

2 試驗與分析

2.1 熱試狀態(tài)

噴注器熱試充分利用已有的液氧、煤油、氮氣、冷卻水等介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等,開展了點火和燃燒特性試驗。熱試系統(tǒng)原理見圖6。其中氮氣采用落壓式供應(yīng);液氧、煤油、冷卻水等液體介質(zhì)采用高壓氮氣擠壓方式供應(yīng)。試驗測量參數(shù)主要包括流量、壓力、溫度以及電壓電流信號。流量主要包括液氧和煤油流量;壓力主要包括供應(yīng)系統(tǒng)和產(chǎn)品沿程壓力(儲箱壓力、管路壓力、集液腔壓力、室壓等);溫度主要包括液氧路供應(yīng)系統(tǒng)和產(chǎn)品沿程溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度等;電壓電流信號主要是記錄各路閥門響應(yīng)。測量設(shè)備主要包括：①精度0.25級的壓力變送器;②精度±1.5 ℃或±0.75%t的熱電偶;③精度0.5級的質(zhì)量流量計。

圖6 系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of test system

2.2 熱試結(jié)果

2.2.1 熱試參數(shù)與曲線

表3給出了噴注器的熱試參數(shù)范圍,圖7給出了額定工況熱試燃燒室的室壓曲線。從圖7中可以看出約1.6 s兩路推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室,燃燒室室壓開始上升,1.65 s左右,燃燒室室壓突然升高,此時產(chǎn)品點火成功,并出現(xiàn)小幅度的壓力峰,隨后迅速爬升到穩(wěn)定段,穩(wěn)定工作期間室壓平穩(wěn),波動小于3%。關(guān)機過程中,氧化劑閥和煤油閥依次關(guān)閉,火焰開始熄滅,燃燒室室壓隨即下降。隨后吹除閥門打開,吹除氣進(jìn)入將系統(tǒng)管路及產(chǎn)品頭腔內(nèi)大量推進(jìn)劑吹出燃燒室,此時燃燒室內(nèi)溫度較高,吹出的推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)形成二次燃燒,但持續(xù)時間較短,隨后燃燒室室壓降至大氣壓相當(dāng)水平。

圖7 燃燒室室壓曲線Fig.7 Firing test combustion chamber pressure curve

表3 熱試參數(shù)范圍

2.2.2 啟動特性分析

從2種組元進(jìn)入推力室到燃燒室室壓達(dá)到穩(wěn)定壓力值95%的整個過程稱為推力室的啟動過程,包含推進(jìn)劑組元的點火過程和火焰?zhèn)鞑ミ^程。為了研究點火啟動特性,定義點火延遲時間和著火時間來分別評價著火和火焰?zhèn)鞑ミ^程[15]。其中,點火延遲時間定義為從介質(zhì)進(jìn)入推力室時刻到室壓突躍時刻的間隔。著火時間定義為從室壓突躍時刻到室壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%時刻的間隔,如圖8所示。

圖8 噴注器啟動性能曲線Fig.8 Starting performance curve of injector

表4給出了4種工況熱試的點火延遲時間和著火時間統(tǒng)計?？梢钥闯龉r1點火延遲非常小,推進(jìn)劑進(jìn)入后即被點燃,點火啟動平穩(wěn);工況2和工況3的點火延遲時間相當(dāng),均在0.05 s左右,點火沖擊較小,噴注器啟動相對平穩(wěn);工況4點火延遲時間最長,在兩路推進(jìn)劑幾乎充填完成才點著火,推進(jìn)劑積存爆燃導(dǎo)致啟動過程中出現(xiàn)了較高的壓力峰,壓力峰維持時間非常短。分析工況4點火延遲長的原因為該工況為低混合比工況,產(chǎn)品啟動過程中點火器未能及時點燃進(jìn)入推力室的大量推進(jìn)劑混合物,直至點火器關(guān)機時大量介質(zhì)被吹入點火器燃燒室,點火器流量增大,才點燃產(chǎn)品推力室內(nèi)積存的推進(jìn)劑,造成工況4點火延遲時間較長。

表4 噴注器啟動性能

工況1和工況2工況參數(shù)相同,爬升曲線幾乎重合,著火時間相當(dāng);工況3相比工況1和工況2流量大,充填時間短,對應(yīng)著火時間短。工況4著火后推進(jìn)劑充填幾乎完成,室壓迅速到達(dá)穩(wěn)態(tài),使著火時間變短。由此可知,著火時間的長短與充填時間相關(guān)。

2.2.3 燃燒效率分析

燃燒效率用來表征推進(jìn)劑能量在推力室中轉(zhuǎn)化為熱能的完善程度,是評價燃燒性能的重要指標(biāo)。圖9給出了工況1～工況3熱試燃燒效率對比。其中工況1和工況2工況參數(shù)相同,工況3為額定工況?？梢钥闯?種工況熱試燃燒效率均在95%以上,與機加產(chǎn)品性能相當(dāng)[16]。工況3熱試效率較高,主要原因是混合比靠近最佳混合比,燃燒溫度高,液滴蒸發(fā)速率和化學(xué)反應(yīng)速率加快,從而提高了燃燒效率;工況2燃燒效率相比工況1稍低的主要原因是熱沉結(jié)構(gòu)喉道第一次熱試后有少許燒蝕,效率計算時暫按試驗前喉道參數(shù)計算導(dǎo)致。

圖9 3次熱試燃燒效率對比Fig.9 Comparison of combustion efficiency in three firing tests

2.2.4 脈動特性分析

圖10 打印噴注器熱試無量綱噴前脈動壓力對比Fig.10 Comparison of dimensionless pressure fluctuation at propellants manifold between printed and machined injector

3 結(jié)論

針對推力室噴注器3D打印技術(shù)研究,開展了優(yōu)化設(shè)計、整體打印和試驗驗證,得到以下結(jié)論。

1)通過一體化設(shè)計整體打印,噴注器零件數(shù)量由16個減至1個,21條焊縫全部取消,大幅提高了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固有可靠性。

2)驗證了打印噴注器研制全流程質(zhì)量控制方法的可行性,保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

3)3D打印噴注器成功進(jìn)行了熱試,燃燒效率達(dá)到95%以上,啟動迅速,燃燒過程穩(wěn)定,技術(shù)指標(biāo)與機加產(chǎn)品相當(dāng),為液體火箭發(fā)動機推力室全3D打印奠定了基礎(chǔ)。