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透视3D打印火箭发动机推力室,喷射器和涡轮泵专利

时间:2020-02-27 09:09 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      摩根士丹利(Morgan Stanley)估计,到 2040年,全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。根据3D科学谷的市场观察,这其中伊隆·马斯克(Elon Musk)创建的Space X, 以及亚马逊CEO杰夫贝索斯创立的Blue Origin,可能是该产业最大的参与者之一。除此之外,还有起步较晚的Launcher、Relativity Space等初创公司。

        Relativity Space这家90后掌舵的初创企业,正在以力挽狂澜的融资之势,向3D打印制造整个火箭发起强烈攻势。就在2019年10月Relativity Space新一轮融资筹集了1.4亿美元(10亿人民币)。而另外一家年轻的公司Rocket Lab(创立于2006年),则获得了总数超过2.15亿美金(15亿人民币)的融资。

如此强劲的融资背后一方面是航天产业巨大的市场空间,另一方面是新兴的火箭企业独具特色的火箭制造技术。本期,3D科学谷特别分享3D打印火箭发动机推力室,喷射器和涡轮泵专利方面的分析。

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来源:Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日)

block 3D打印催生结构一体化复杂零件

       近日,Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日),则详细的披露了Rocket Lab通过增材制造工艺来制造火箭推力室、用于火箭发动机的喷射器和涡轮泵。

等距剖视图的细节图

等距剖视图的细节图。来源:Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日)

        用于火箭发动机的传统涡轮泵组件通常包括由一个或多个涡轮机械驱动的离心推进剂泵。该系统的控制非常复杂,因为需要从推进剂泵流出的少量推进剂来供应气体发生器,从而为涡轮机提供动力。

电动涡轮泵的叶轮的侧视图与俯视图
电动涡轮泵的叶轮的侧视图与俯视图。来源:Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日)

      Rocket lab的专利确定使用增材制造技术用于涡轮泵组件生产可以极大地简化这种系统的组装,通过选区金属熔化工艺来制造各种部件将大大降低这种系统的组装复杂性。3D打印-增材制造技术允许形成复杂的几何形状,而使用传统的减材加工技术或铸造/注射成型技术很难或不可能实现。3D打印技术的这种灵活性在火箭发动机设计领域提供了独特的机会。

推力室的分解侧视图

推力室的分解侧视图。来源:Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日)

       从推力室的分解侧视图可以看出,喷射器122可以插入在盖105和筒部分102之间。推力室通过增材制造技术来制造,材料是钛合金,而喉部103和扩张部104可通过增材制造形成为单件。推力室由三个部分形成,由于推力室具有双壁结构,因此Rocket Lab已经开发出焊接方法以将多个部分组合在一起。

        值得一提的是由于这种发动机的构造,控制传统火箭发动机内的冷却剂流动通道110的表面粗糙度是很成问题的。在这种传统制造的火箭发动机中,控制冷却剂流动通道内的表面光洁度的能力非常小,因为在形成冷却剂流动通道之后,通常无法进入通道的内表面。

         相反,使用增材制造技术形成推力室的部分提供了相对独特的能力,该能力在两个层面上存在:

首先,可以设计出小的凸块特征,脊,突起,凹谷等,这些特征用于在冷却剂流动通道的特定区域中提供局部变化。

第二,通过调整增材制造技术的加工参数和粉末可以产生不同的表面粗糙度。例如,选区激光熔化金属3D打印加工过程中通常使用的粉末颗粒的平均粒径通常可以在30μm至110μm之间。

          改变冷却剂流动通道内的表面粗糙度还可以提供增加的传热特性,其可以在某种程度上补偿用于形成推力室的材料的热特性。例如,在传统推力室中通常使用铜。3D打印的推力室可以使用钛合金(包括Ti.sub.6Al.sub.4V),钢合金(包括不锈钢合金和马氏体时效钢合金)和Inconel合金(例如Inconel.RTM.625(UNS N06625)或Inconel.RTM.718(UNS N07718)),因为这些材料的热导率比铜低一个数量级或两个数量级。与铜相比,改变冷却剂流动通道内的表面粗糙度可以在某种程度上补偿这些材料的导热系数降低。

       当然,铜合金目前也逐渐被纳入到选区金属熔化3D打印的加工范围内,其中,NASA就成功3D打印出铜合金燃烧室零部件,这个燃烧室内外壁之间具有200多个复杂的通道。而国内金属3D打印企业铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展,研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺,实现了复杂流道的铜材料制造工艺,成功制备出3D打印铜合金尾喷管。

       Rocket lab的专利显示,可以使用增材制造或3D打印来制造喷射器122。根据3D科学谷的市场研究,喷射器可以是结构一体化整体结构,不需要部件之间的连接,这为喷射器提供了强度和可靠性。选区激光熔化加工过程可能导致成品上的粗糙表面,该粗糙表面可以用磨料去除或清洁。不过表面粗糙是有积极作用的,表面粗糙度导致的推进剂流中的湍流可能推进剂流撞击时协助雾化。

(责任编辑:中国3D打印网)

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