3D打印使得多個(gè)零件可以作為一個(gè)零件制造出來(lái)，并極大的壓縮了研發(fā)時(shí)間與成本，這催生了眾多的小型企業(yè)進(jìn)入到航空航天制造領(lǐng)域。美國(guó)一家小型火箭初創(chuàng)公司Launcher開發(fā)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)E-2是一個(gè)整體式的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何組裝零件，制造方式是選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)。Launcher 獲得了進(jìn)展的里程碑，在 NASA 斯坦尼斯航天中心實(shí)現(xiàn)了3D打印 E-2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的全推力測(cè)試。

Launcher的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
© Launcher

3D打印高性能液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

 成功測(cè)試

       2022 年 4 月 21 日，Launcher 的 E-2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)宇航局斯坦尼斯航天中心獲得成功測(cè)試。E-2 是一種封閉循環(huán) 3D 打印的高性能液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，正在為 Launcher Light 運(yùn)載火箭開發(fā)（計(jì)劃于 2024 年首次發(fā)射）。單個(gè) E-2 發(fā)動(dòng)機(jī)將攜帶 150 公斤有效載荷將 Launcher Light 運(yùn)載火箭推進(jìn)到近地軌道。

成功測(cè)試 E-2 發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)：

10 公噸推力（22,046 磅力）。
100 bar (1,450 psi) 的燃燒壓力。
LOX/煤油（2.62 推進(jìn)劑混合比）在 100 bar 壓力下的最高性能。

 3D打印技術(shù)助力突破

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，通過(guò)3D打印技術(shù)制造整體式的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是從事小型航天器發(fā)射的航天公司的技術(shù)聚焦點(diǎn)之一。對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)而言，航空航天業(yè)一直是一個(gè)難以進(jìn)入的市場(chǎng)，挑戰(zhàn)并非僅僅來(lái)自知識(shí)產(chǎn)權(quán)，除了需要與現(xiàn)有的航空航天業(yè)供應(yīng)商巨頭競(jìng)爭(zhēng)，像Launcher這樣的初創(chuàng)企業(yè)還面對(duì)多方面的挑戰(zhàn)與壓力。

© Launcher

初創(chuàng)企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)來(lái)自于如何制造出航空航天業(yè)需要的復(fù)雜的部件，這些部件是按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)制造的，并且是以小批量制造的。但是，與任何行業(yè)一樣，新技術(shù)的引入有可能打破原來(lái)的生態(tài)平衡。目前，航空航天工業(yè)中的3D打印-增材制造技術(shù)就在打破原有的平衡。

Launcher的火箭與衛(wèi)星發(fā)射
© Launcher

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，Launcher目前主要使用的3D打印設(shè)備來(lái)自EOS的AMCM M4K，以及Velo3D的3D打印設(shè)備。

根據(jù)3D科學(xué)谷，銅合金由于其高導(dǎo)熱性而被期望用于腔室襯里，這帶來(lái)高效的壁冷卻效果，以帶來(lái)更加安全的火箭運(yùn)行水平。3D打印在銅合金燃燒室的應(yīng)用技術(shù)邏輯包括一次性整體成型帶冷卻通道的腔壁，銅合金的加工能力這兩方面的優(yōu)勢(shì)結(jié)合。

小型企業(yè)要在航空航天這樣的高技術(shù)壁壘的領(lǐng)域獲得一席之地，必須建立自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Launcher 的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動(dòng)機(jī)部件就集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。Launcher的E-2 的腔室采用獨(dú)特的液氧冷卻，通過(guò)銅合金 3D 打印一體成型。它還使用工業(yè)供應(yīng)鏈銅鉻鋯合金 (CuCrZr)，與通常用于 3D 打印燃燒室的航空級(jí)銅合金相比，降低了成本和供應(yīng)鏈限制。

Launcher 是第一家使用 3D 打印銅合金的小型發(fā)射公司，并與AMCM公司（屬于 EOS 公司）合作開發(fā)了第一臺(tái)大幅面（100 x 45 x 45 厘米）定制 3D 打印機(jī)，在小型發(fā)射 3D 打印技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。Launcher 的一體化銅合金燃燒室是在 AMCM M4K 3D 打印機(jī)上生產(chǎn)的。

Launcher的3D打印銅合金燃燒室
© Launcher

© 3D科學(xué)谷白皮書

在這款發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴嘴被設(shè)計(jì)為一個(gè)整體的部件，它將實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能，同時(shí)減少零件數(shù)量和對(duì)裝配的需求，最終通過(guò)金屬3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

Launcher的3D打印銅合金燃燒室自動(dòng)去粉
© Launcher

     在分階段燃燒循環(huán)中，推進(jìn)劑流過(guò)兩個(gè)燃燒室，一個(gè)預(yù)燃室和一個(gè)主燃燒室。通過(guò)點(diǎn)燃預(yù)燃室中的少量推進(jìn)劑產(chǎn)生的壓力可用于為渦輪泵提供動(dòng)力，渦輪泵迫使剩余的推進(jìn)劑進(jìn)入主燃燒室。增加預(yù)燃器可以提高燃油效率，但卻需要更高的工程復(fù)雜性。

       此外，E-2 最先進(jìn)的同軸注射器是在 Velo3D 的設(shè)備上進(jìn)行 3D 打印的。VELO3D是一家軟件驅(qū)動(dòng)硬件的企業(yè)，其市場(chǎng)定位相當(dāng)清晰：設(shè)計(jì)自由，敏捷生產(chǎn)和質(zhì)量保證，這些是VELO3D通過(guò)技術(shù)打造的獨(dú)特的市場(chǎng)定位。VELO 3D率先推出其“無(wú)支撐”3D打印技術(shù)，其受到航空航天領(lǐng)域采用的原因還在于VELO 3D的Assure™質(zhì)量保證和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有直觀的圖表，使用戶能夠查看和解釋在構(gòu)建過(guò)程中收集的大量數(shù)據(jù)。根據(jù)VELO 3D，這些信息可幫助工程師驗(yàn)證構(gòu)建過(guò)程中每個(gè)步驟的質(zhì)量，并使其在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠快速做出決策。確保可以幫助減少生產(chǎn)差異，提高產(chǎn)量并規(guī)避異常情況，以確保一致的增材制造結(jié)果。

‍ 更多挑戰(zhàn)，值得期待

     作為下一步，Launcher 計(jì)劃在2022年5月初再次使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)腔室和噴射器進(jìn)行測(cè)試。Launcher 計(jì)劃將在 2022 年第四季度展示采用集成渦輪泵的E-2進(jìn)行完整測(cè)試。

      像Launcher 這樣的初創(chuàng)企業(yè)要憑借3D打印技術(shù)進(jìn)入到高壁壘的航空航天行業(yè)，光有3D打印設(shè)備這些“金剛鉆”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要對(duì)加工工藝，材料技術(shù)，后處理等方面有著深刻的認(rèn)識(shí)和技術(shù)積淀，除此之外，還需要懂得如何搭建屬于自己的良性生態(tài)環(huán)境，并積累資金、品牌、客戶基礎(chǔ)等方面的實(shí)力。商業(yè)航天增材制造方面，最終的贏家不僅要有核心的設(shè)計(jì)實(shí)力，還需要多點(diǎn)建立競(jìng)爭(zhēng)壁壘，譬如在設(shè)備端從設(shè)備開發(fā)商和材料開發(fā)商借力，通過(guò)開發(fā)特殊的3D打印設(shè)備及特殊的材料進(jìn)一步拉高技術(shù)與制造壁壘，同時(shí)還需要搭建軟件實(shí)力，將數(shù)據(jù)流中的價(jià)值提取出來(lái)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為企業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力“燃料”。

(責(zé)任編輯：admin)

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