AEROJET采用3D打印技術優(yōu)化航天發(fā)動機，以實現(xiàn)低成本和更快的太空探索

2022年4月9日，南極熊獲悉，美國航空航天推進系統(tǒng)制造商Aerojet Rocketdyne使用3D打印技術和nTopology的工程軟件，優(yōu)化了航空發(fā)動機，反應控制系統(tǒng)(RCS）中的關鍵組件。

△RCS四推進器模采用3D打印工藝。圖片來自nTopology

通過技術改良，Aerojet的新型航空發(fā)動機部件重量減輕了67%，同時還將推進器的總體生產(chǎn)成本降低了 66%，以實現(xiàn)更快、更可持續(xù)的月球探索。

“我們充分利用過去十年間在工程軟件和工業(yè)制造方面取得的經(jīng)驗優(yōu)勢，結合3D打印技術在現(xiàn)有工藝上進行改良，大大提高設計性能，”Aerojet的任務架構師James Horton說.

Aerojet Rocketdyne和它的3D打印
該公司二十多年來一直致力于將3D打印技術用于火箭發(fā)動機、導彈和戰(zhàn)術防御系統(tǒng)的設計改良。2017 年，它多次對外公布會使用Sigma Labs的PrintRite3D軟件，并將3D打印的預燃器集成到AR1火箭發(fā)動機中。

早些時候，他們宣傳已開發(fā)出RL10火箭發(fā)動機的升級版本，并通過了美國宇航局(NASA)的熱火測試程序，之后為支持SLS項目，完成了洛杉磯工廠的大規(guī)模擴建。

最近，Aerojet將3D Material Technologies的3D打印、CNC加工和MIM功能整合到他們的產(chǎn)品制造中。該公司一直致力于開發(fā)RS-25發(fā)動機關鍵部件，近期還獲得了為NASA 的“SLS 項目”制造16個航天發(fā)動機，合同價值17.9億美元。

△Aerojet的工程師與RL10C-X火箭發(fā)動機。圖片來自nTopology

優(yōu)化火箭發(fā)動機組件
作為與NASA合作的一部分，Aerojet正在重新設計由阿波羅時代太空計劃遺留下來的問題，為NASA的Artemis計劃開發(fā)獵戶座航天推進器和太空發(fā)射系統(tǒng)。

該公司一直致力于優(yōu)化RCS系統(tǒng)關鍵部件的重量和成本，系統(tǒng)控制航天器和月球著陸器飛行時的高度和方向，由放置在航天器和月球著陸器周圍的四個服務艙組成，每個服務艙有四個推進器。

為了更好地控制航天器的速度、俯仰和滾轉，四個推進器的設置允許每個航天器獨立點火。作為阿波羅計劃的一部分，美國宇航局委托制造了600多個推進器，以支持12次載人航天飛行，并進行了測試和鑒定。降低推進器的成本可以大大降低Artemis項目的總成本，因此Aerojet公司希望通過3D打印和nTopology的工程軟件來實現(xiàn)以上優(yōu)化。

△優(yōu)化的噴射器塊的橫截面。圖片來自nTopology

Horton在傳統(tǒng)推進器設計方案中，發(fā)現(xiàn)了幾個可以改進的點，并試圖減少組件的數(shù)量簡化結構，隨后通過nTopology建模軟件分析并確保設計的可行性。該軟件還允許改進零件的疲勞強度并減輕應力集中。此外，還可以控制推進器的關鍵設計參數(shù)，例如晶格鯛的厚度，從而實現(xiàn)減輕零件重量。

RCS推進器是用鈦6Al-4V材料在Velo3D藍寶石金屬3D打印機上打印的，鈦6Al-4V是制造雙推進劑推進器的典型材料，其密度只有Inconel 718的一半。該零件的成功，是Aerojet 努力開發(fā)RCS模塊的重要步驟之一，模塊質(zhì)量是傳統(tǒng)制造的五分之一，尺寸是傳統(tǒng)制造的一半，同時生產(chǎn)成本也只有傳統(tǒng)制造的三分之一。

Horton補充道:“我們已經(jīng)證明，通過減少零件數(shù)量和勞動力，是一條可持續(xù)發(fā)展的技術解決方案。我很期待將這款產(chǎn)品推向太空。”