上�,？臻g推進(jìn)研究所等 l 增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：中國航天

摘 要: 在空間推進(jìn)領(lǐng)域,，采用增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一體化成型,，提升模塊化和集成化程度,，在制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、昂貴的構(gòu)件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),。目前國內(nèi)外主要航天機(jī)構(gòu)正在積極開展增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用,。常用的增材制造技術(shù)包括激光選區(qū)熔化技術(shù)、定向能量沉積技術(shù),、電子束熔化成型技術(shù)和立體光固化成型技術(shù)等,。本文主要介紹在空間推進(jìn)領(lǐng)域通過增材制造技術(shù)制備的各類構(gòu)件，包括推力室噴注器,、再生冷卻身部,、陽極和貯箱等。同時(shí),，總結(jié)了增材制造在這些應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì),，探討了其在空間推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)和潛在機(jī)遇。

伴隨著深空探測(cè),、載人登月,、衛(wèi)星組網(wǎng)等空間活動(dòng)的迅速發(fā)展，世界主要航天大國都加快了航天器的研制進(jìn)程,。作為航天器的核心構(gòu)件,，空間推進(jìn)系統(tǒng)在姿態(tài)調(diào)節(jié)、軌道控制等方面起到至關(guān)重要的作用,，其發(fā)展方向?yàn)殚L(zhǎng)壽命,、輕量化,、可重復(fù)使用、快速響應(yīng)迭代及定制化,。近年來,，增材制造技術(shù)取得顯著進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，尤其在提升空間推進(jìn)系統(tǒng)輕量化,、一體化和模塊化水平方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),。本文詳細(xì)介紹了增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)系統(tǒng)各組成部分的應(yīng)用，包括液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室和貯箱,、電推力器陽極部件和陶瓷組件等,，并總結(jié)了增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用過程中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

一,、增材制造技術(shù)
增材制造技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)控制方法,，按照指定路徑將材料逐層沉積到基板上形成產(chǎn)品的加工方法。相比于傳統(tǒng)鑄造和機(jī)加工等方法,，增材制造技術(shù)可用于快速制造復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件,，并可用于金屬、陶瓷,、聚合物,、復(fù)合材料和生物材料等多種材料。在空間推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的有激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）,、定向能量沉積技術(shù)（DED）,、電子束熔化成型技術(shù)（EBM）、熔融沉積技術(shù)（FDM）和立體光固化成型技術(shù)（SLA）等,，如圖1所示,。

圖1 增材制造技術(shù)分類

與傳統(tǒng)鑄造、鍛壓和機(jī)械加工等方式相比,，增材制造技術(shù)具有材料利用率高,、生產(chǎn)周期短、成型精度高及設(shè)計(jì)自由度高等優(yōu)勢(shì),。但是增材制造加工過程中會(huì)產(chǎn)生元素?zé)龘p,，并且熱應(yīng)力較高，很容易產(chǎn)生裂紋等缺陷,。伴隨著增材制造在各個(gè)行業(yè)的推廣應(yīng)用,，可用于增材制造的材料也極大豐富，金屬材料包括鋼,、鋁合金,、鈦合金和高溫合金，并且在高熵合金方面也相繼開發(fā)出性能優(yōu)異的新材料,，如圖2（a）,、（b）所示,。而在陶瓷材料方面，美國休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL）通過SLA技術(shù)制備的SiOC陶瓷可以承受1700℃的高溫（見圖2（c））,。

圖2 適用于增材制造的新材料

二,、增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用

空間推進(jìn)系統(tǒng)是將化學(xué)能、電能,、太陽能和核能等轉(zhuǎn)化為噴射動(dòng)能的技術(shù),，主要用于各類航天器軌道控制、姿態(tài)調(diào)整等,。隨著衛(wèi)星快速組網(wǎng),、遠(yuǎn)地小行星探測(cè)的需求不斷增多，空間探測(cè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,，這對(duì)航天器尤其是空間推進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度,、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性提出了更高的要求。
雖然輕量化設(shè)計(jì)概念存在于諸多行業(yè)中,，但在空間推進(jìn)領(lǐng)域尤其重要,，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量不僅可以提高有效載荷，而且針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件,，還可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而降低啟動(dòng)扭矩,、制動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)部件與軸之間的相互作用力矩等,。目前太空探索任務(wù)成本已達(dá)到20000歐元/kg，減少結(jié)構(gòu)載荷可以降低發(fā)射成本,。

（一）國外現(xiàn)狀

1.美國
早在2013年,，美國就已開發(fā)出AMPS-H微型推進(jìn)系統(tǒng)，將貯箱和燃燒室集成在一起,，實(shí)現(xiàn)一體化成型,，并在普羅維登斯推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行液流測(cè)試和持續(xù)16s的點(diǎn)火測(cè)試。同年,，美國高校通過增材制造技術(shù)制備出立方星的電子設(shè)備,，極大提升了研制效率。
NASA最早于2015年進(jìn)行面向增材制造的立方星的組件設(shè)計(jì),，洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）分別設(shè)計(jì)了活塞罐和球形罐,。其中活塞罐包括增材制造的罐體、推力室和支架,，球形罐則減少了50%的零件數(shù)量,，消除了焊縫，成本降低了70%,，為低成本制造小型衛(wèi)星提供了解決方案,。NASA通過SLM方法制備了純鎢的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的推力器部件和細(xì)小的晶格結(jié)構(gòu),，并可承受2300℃的高溫。
賓夕法尼亞大學(xué)Lunar Lion團(tuán)隊(duì)將增材制造方法用于月面著陸系統(tǒng)中雙元發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的“鉛筆”推力器開發(fā)中,。如圖3所示,，傳統(tǒng)推力器由12個(gè)單獨(dú)零件組成，通過螺紋連接并焊在一起,，在燃燒室中混合液氧和燃料,，然后用安裝在燃燒室另一端的火花塞點(diǎn)燃混合物�,；�于增材制造方法將“鉛筆”推力器簡(jiǎn)化為三部分,，并且充分考慮了支撐數(shù)量、成型方向等因素,。經(jīng)驗(yàn)證,，加工時(shí)間縮短超過86%，零件數(shù)量減少33%,，密封面數(shù)量減少了66%,。

圖3 “鉛筆”推力器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和增材制造改進(jìn)方案

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的得克薩斯航天器實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種低溫氣體推力器，包含增材制造技術(shù)制備的推進(jìn)劑管道,、貯箱和噴嘴等部件,，可產(chǎn)生60 mN的推力，用于立方星的姿態(tài)控制任務(wù),。Olano等人制造了小型化霍爾推力器,，使用了SmCo永磁體，即使在高溫下也能產(chǎn)生必要的磁場(chǎng),，并使用316不銹鋼增材制造陽極,，通過選擇性激光熔化生產(chǎn)，其設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)技術(shù)更復(fù)雜,。陽極設(shè)計(jì)顯著影響推進(jìn)劑分布,，因此更復(fù)雜的增材制造制備的設(shè)備可以比傳統(tǒng)制造更均勻地定制推進(jìn)劑分布。Romei等人通過SLM方法制備了316L不銹鋼高縱橫比的薄壁同心加熱管,，用于電阻加熱電推力器,，如圖4所示，驗(yàn)證了增材制造制備超高溫多功能熱交換器的工作性能,，經(jīng)測(cè)試,，推力為(9.7±0.025)~(29.8±0.025)mN，最大比沖測(cè)量值為(80.11±1.22)s,。2023年,，ThrustMe公司選用3DCeram公司增材制造的陶瓷組件用于電推力器，從而提升研制效率,，克服傳統(tǒng)加工工藝中開模所需時(shí)間較長(zhǎng)的問題,。作為首個(gè)實(shí)現(xiàn)碘工質(zhì)電推力器在軌工作的公司,，ThrustMe公司對(duì)增材制造陶瓷材料進(jìn)行了充分的評(píng)估，可以有效隔離和防止高壓電氣擊穿,，保障電推力器的使用性能（見圖5）,。麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出全增材制造的納米電噴推力器，采用氧化鋅納米線的水熱生長(zhǎng)工藝制造而成,，可釋放出純凈的離子流,，比同類電噴推力器擁有更高的比沖，用于微型衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng),，如圖6所示,。

圖4 電阻加熱電推力器

圖5 電推力器陶瓷組件

圖6 通過增材制造制備的納米電噴推力器

NASA宇宙飛船與輔助推進(jìn)系統(tǒng)分部在2016年通過增材制造方法成功制備了立方體貯箱，測(cè)試爆破壓力超過了1600Pa,，安全系數(shù)為5,，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：最大設(shè)計(jì)壓力為400Pa，爆炸系數(shù)為4,。在基于增材制造的研制過程中,，設(shè)計(jì)人員將燃料管道變?yōu)閭?cè)壁的流道，從而制備出具有整體式流道的推進(jìn)劑貯箱,，避免了開孔再封堵等步驟,，有助于減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量。目前NASA正在對(duì)1N推力器進(jìn)行改進(jìn),，以充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢(shì),。


Aerojet Rocketdyne公司將增材制造與推力可擴(kuò)展的自流式MON-25推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，將多個(gè)推力器集成到一個(gè)模塊的反作用控制系統(tǒng)中,，如圖7所示，RC-120是基于ISE-100推力器改進(jìn)的適合增材制造的型號(hào),，采用SLM方法制備一體化噴注器模塊和推力室身部,，相比于傳統(tǒng)加工的推力器，雖然損失了20~50s的比沖,，但是成本降低了70%,。

圖7 RC-120推進(jìn)系統(tǒng)

2023年1月3日，搭乘“獵鷹”9火箭的“軌道器”（Orbiter）太空拖船順利發(fā)射,，其發(fā)動(dòng)機(jī)推力室采用了增材制造技術(shù)制備的鎳基高溫合金構(gòu)件,，大幅降低成本的同時(shí)，提高了一體化程度,，縮短了研制周期,。2023年，NASA在RAMFIRE項(xiàng)目中與Elemntum 3D公司合作,，采用A6061-RAM2材料,，通過增材制造方法成功制備并測(cè)試了新型鋁合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管（見圖8）,，累計(jì)運(yùn)行近10min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可以承受月面著陸器規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)的熱,、結(jié)構(gòu)和壓力負(fù)載,。

圖8 通過增材制造技術(shù)制備的鋁合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管試車測(cè)試

2.其他國家或地區(qū)

歐空局與澳大利亞Monash大學(xué)聯(lián)合開展輕質(zhì)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，如圖9所示,，發(fā)動(dòng)機(jī)身部帶有隨形冷卻夾心結(jié)構(gòu),，與傳統(tǒng)冷卻槽道相比，接觸面積更大,，熱交換效果更好,，可以有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。歐洲探索公司與阿聯(lián)酋LEAP71公司于2023年開始在空間發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域展開合作,，利用計(jì)算工程模型,，通過自適應(yīng)邊界條件和參數(shù)（推進(jìn)劑類型、推力等）,，進(jìn)行創(chuàng)成式設(shè)計(jì),，并通過迭代優(yōu)化，快速得到發(fā)動(dòng)機(jī)原型,，如圖10所示,。

圖9 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)身部隨形夾層結(jié)構(gòu)

圖10 LEAP71采用增材制造設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)截面

（二）我國現(xiàn)狀

目前空間推進(jìn)系統(tǒng)主要采用冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)等方式,，其中化學(xué)推進(jìn)可分為單組元和雙組元,。近年來，遠(yuǎn)地小行星探測(cè)等空間任務(wù)持續(xù)推進(jìn),，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)壽命和可靠性提出了更高的要求,，上海空間推進(jìn)研究所先后進(jìn)行了5000N,、15000N和20000N火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部的攻關(guān)工作,，圖11為5000N發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部實(shí)物及試車照片。圖12為15000N火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物及點(diǎn)火試車圖片,，經(jīng)地面熱試車和高空模擬熱試車驗(yàn)證,，單次連續(xù)最長(zhǎng)工作時(shí)間達(dá)到100s，真空比沖為315.3s,，達(dá)到相同系統(tǒng)參數(shù)下國際先進(jìn)水平,。如圖13所示，20000N液氧甲烷軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用增材制造技術(shù)制備了一體化推力室,，并完成多次熱試車考核,，真空比沖達(dá)到3560Ns/kg。

圖11 5000N再生冷卻身部結(jié)構(gòu)及試車試驗(yàn)圖片

圖12 15000N發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部結(jié)構(gòu)及地面點(diǎn)火試驗(yàn)圖片

圖13 增材制造一體化20000N液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試車

在電推力器方面，上�,？臻g推進(jìn)研究所通過SLM技術(shù)成功制備了80mN電推力器陽極,，并進(jìn)行了氙氣工質(zhì)試車考核，累計(jì)點(diǎn)火6h55min,，推力符合設(shè)計(jì)要求,，如圖14所示。

圖14 陽極部件及點(diǎn)火試車

星河動(dòng)力（北京）空間科技有限公司研制的“谷神星”一號(hào)商業(yè)運(yùn)載火箭中,，四級(jí)采用了增材制造的軌控發(fā)動(dòng)機(jī),，如圖15所示，為我國首次完全采用增材制造方案的軌控發(fā)動(dòng)機(jī),。

圖15 “谷神星”一號(hào)四級(jí)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)

三,、結(jié)束語

在空間推進(jìn)領(lǐng)域，增材制造面臨諸多挑戰(zhàn),，主要有以下幾個(gè)方面：
（1）增材制造技術(shù)制備的構(gòu)件與傳統(tǒng)鑄,、鍛、機(jī)加工的構(gòu)件在內(nèi)部組織和力學(xué)性能等方面有顯著不同,，尤其是缺陷,，其尺寸較小，但是層間微裂紋很容易擴(kuò)展成為宏觀裂紋,。目前的CT和X射線檢測(cè)精度有限,，而且受限于結(jié)構(gòu)尺寸,，亟須開發(fā)更適用于增材制造構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的設(shè)備和技術(shù),。空間推進(jìn)領(lǐng)域構(gòu)件經(jīng)常處于高溫和交變載荷的作用下,，內(nèi)部的缺陷很容易成為裂紋源,，發(fā)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)較大,。

（2）空間推進(jìn)領(lǐng)域尤其是噴注器等關(guān)重件對(duì)多余物防控和流阻要求較高，目前增材制造的特征分辨率和表面粗糙度尚未達(dá)到精密制造的要求,，這不僅需要提升增材制造的成型精度和致密度,，更需要開發(fā)合適的后處理方法（化銑、電化學(xué)拋光,、磨粒流等）,，才能更有效地運(yùn)用增材制造技術(shù),。

（3）增材制造在減重方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),，尤其是復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以通過增材制造方法成型，但是空間推進(jìn)系統(tǒng)需要經(jīng)受振動(dòng),、沖擊,、高低溫等復(fù)雜的熱/力環(huán)境，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),。此外,，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)尺寸較小,，仿真計(jì)算工作量較大，精度較低,，需要進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)處理并配合驗(yàn)證手段,，提高增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在空間推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

近年來,，空間推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)可重復(fù)使用,、輕量化及長(zhǎng)時(shí)間服役等方面提出了更高的要求，增材制造技術(shù)在一體化,、模塊化和輕量化等方面的優(yōu)勢(shì)使其在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用中迎來了新機(jī)遇,。

（1）空間推進(jìn)系統(tǒng)中的復(fù)雜構(gòu)件越來越多地采用增材制造技術(shù)，在保證使用性能的同時(shí),，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,，縮小體積，并且極大提高了研制效率,。此外,，增材制造技術(shù)也為結(jié)構(gòu)功能一體設(shè)計(jì)和制造提供了更大的自由度，可以通過結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高能量吸收,、傳熱及承載能力,。

（2）空間推進(jìn)領(lǐng)域的部分構(gòu)件需要較高的高溫強(qiáng)度、良好的絕緣性及耐磨性等,，雖然陶瓷等材料滿足要求,，但是傳統(tǒng)加工難度大，成品率低,。增材制造技術(shù)也為陶瓷等材料的制備提供了新的途徑,，由于其高精度和高致密度成型特點(diǎn)，在陶瓷等新材料的制備方面具備較大潛力,。

（3）增材制造技術(shù)為空間推進(jìn)系統(tǒng)的在軌維護(hù)提供了可能性,，目前聚合物已經(jīng)可以在太空中進(jìn)行增材制造，未來金屬和陶瓷材料的增材制造實(shí)現(xiàn)后可用于在軌替換零件等工作,。

作者簡(jiǎn)介
楊旭東1  周俊1  焦自賢1  徐鑫2  謝屹2
1.上�,？臻g推進(jìn)研究所；2.上�,？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心