韓國航空航天研究所：3D打印火箭發(fā)射器的趨勢

2020年5月15日，南極熊獲悉，韓國航空航天研究所的研究人員研究了3D打印火箭部件的精細(xì)細(xì)節(jié)，并在 "Additively Manufactured Small Rocket Engines for Launcher Applications"中公布了他們的研究結(jié)果。

隨著越來越多的太空創(chuàng)業(yè)公司參與到運(yùn)載火箭的制造中來，3D打印在生產(chǎn)中扮演著重要的角色。因?yàn)樗峁┝怂械慕?jīng)典優(yōu)勢，如經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、制造速度、創(chuàng)新能力前所未有的創(chuàng)新能力，最重要的是沒有中間商。Space X、Rocket Lab，當(dāng)然還有NASA也都將3D打印技術(shù)放在了頭條，無論是3D打印的推進(jìn)器，還是整個火箭，都是頭條新聞。

SpaceX公司的SuperDraco發(fā)動機(jī)

在這項(xiàng)研究中，研究人員為火箭發(fā)動機(jī)制造了一個氣門殼體，發(fā)掘了這種技術(shù)的未來潛力，以及如何為彈射發(fā)動機(jī)降低成本。展望SpaceX SuperDraco，研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注了增材制造在航天領(lǐng)域的進(jìn)展。更進(jìn)一步，他們討論了火箭實(shí)驗(yàn)室Rocket Lab的Rutherford引擎，該引擎用于2018年最終進(jìn)入太空軌道的Electron彈射器。工程師們能夠3D打印出幾乎所有的零件，將一臺地面推力為24千牛的發(fā)動機(jī)和地面比推力為311秒的發(fā)動機(jī)成功送入太空。

美國制造的3D打印發(fā)動機(jī)規(guī)格。

私人航天公司Rocket Lab的首席執(zhí)行官Peter Beck手持盧瑟福發(fā)動機(jī)，站在Electron Rocket旁邊

渦輪泵是發(fā)動機(jī)中最復(fù)雜的部件之一，研究人員注意到，在該部件上必須花費(fèi)更多的時間進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析和驗(yàn)證。渦輪泵分為許多不同的部分，每個部分都有單獨(dú)的制造方法，占整個發(fā)動機(jī)成本的45％。

研究人員說：“各個國家都在以各種形式嘗試將增材制造技術(shù)整合到渦輪泵的生產(chǎn)中。渦輪泵需要差異化的增材制造策略，因?yàn)橹饕慵男螤詈軓?fù)雜，并且實(shí)現(xiàn)功能需要形狀限制。”

SpaceX是增材制造工藝的先驅(qū)和靈感來源，展示了這種先進(jìn)的，前瞻性的思維在生產(chǎn)中的好處。 NASA已經(jīng)使用3D打印數(shù)十年了，一直在為各種項(xiàng)目制造零件，包括生產(chǎn)較小的渦輪泵。在制定諸如低成本高層項(xiàng)目和增材制造演示引擎之類的任務(wù)時，NASA繼續(xù)證明3D打印對成本降低，加快進(jìn)度以及設(shè)計(jì)靈活性的好處。

目前，歐空局正計(jì)劃建造一種甲烷發(fā)動機(jī)（Prometheus），而瑞典的GKN據(jù)說正在通過增材制造來生產(chǎn)渦輪盤和殼體。而且，隨著許多國家和組織設(shè)計(jì)新的航空航天部件，日本正在開發(fā)一種H-3射彈-具有膨脹器放氣發(fā)動機(jī)-而不是以前的“燃料豐富”的多級發(fā)動機(jī)。 IHI目前正在制造一種3噸級的甲烷膨脹發(fā)動機(jī)。盡管它們可以節(jié)省時間和成本，但也有人聲稱增加的表面粗糙度會影響性能：

研究人員說：“在開發(fā)渦輪泵的情況下，通過改善葉輪的粗糙度，泵頭可提高15％或更多。”

用于PROMETHEUS發(fā)動機(jī)的渦輪葉片

研究人員總結(jié)道："到2019年年底，使用快速成型制造成功發(fā)射的發(fā)動機(jī)只有SpaceX的SuperDraco和Rocket Lab的Rutherford發(fā)動機(jī)。"

"目前，大多數(shù)用于射出式發(fā)動機(jī)部件增材制造的材料都是Inconel 718，有些公司使用的是Ti-6Al-4V或銅合金。"