航天六院借助3D打印研制我國新型火箭發(fā)動機，應(yīng)用發(fā)動機數(shù)量達(dá)50余種
以85噸級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機為例，該型發(fā)動機是航天六院積極探索適應(yīng)商業(yè)航天需求研制的新型發(fā)動機，旨在滿足當(dāng)前低成本、快速進(jìn)入太空的“剛需”，適合于近年來國內(nèi)外商業(yè)航天對衛(wèi)星載荷發(fā)射的需求。以開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機為基礎(chǔ)的運載火箭，憑借其大推力、結(jié)構(gòu)簡單、低成本、易維護(hù)，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為商業(yè)航天發(fā)射的主力。在發(fā)動機的研制過程中，有眾多3D打印技術(shù)的應(yīng)用。
01
西安航天動力研究所
三年內(nèi)完成新型發(fā)動機從概念到定型
按照慣例，一款新型大推力火箭發(fā)動機從確定設(shè)計指標(biāo)到正式定型，往往需要10年左右時間。近年來，隨著商業(yè)航天的快速崛起，“慣例”正在逐漸被打破。在研制85噸開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機的過程中，團隊積極吸取國外知名商業(yè)航天公司的快速迭代研制思想，通過一次試車多次點火，完成多個考核目的，大幅降低研制成本。
在虛擬開發(fā)、虛擬驗證、虛擬裝配等“黑科技”加持下，研制團隊在成熟產(chǎn)品的研制數(shù)據(jù)、研制經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過數(shù)字化手段，進(jìn)行發(fā)動機建模、仿真和分析，加快研制進(jìn)度。
研制初期，設(shè)計人員遇到某民營航天公司的渦輪泵專家，該專家問，你們發(fā)動機進(jìn)展怎么樣，什么時候渦輪泵聯(lián)試。設(shè)計人員回答，我們不做渦輪泵聯(lián)試，直接整機試車?；卮鹆顚＜殷@訝不已。渦輪泵聯(lián)試是發(fā)動機研制流程中的一項重要工作，也是體現(xiàn)研制進(jìn)展的一個標(biāo)志性節(jié)點。但渦輪泵聯(lián)試對于試車臺改造工作量很大，加上產(chǎn)品生產(chǎn)裝配時間，整個周期預(yù)計在半年以上。經(jīng)過充分論證，大膽創(chuàng)新，團隊?wèi)?yīng)用新技術(shù)、新驗證方法，合理策劃試驗流程，繞過渦輪泵聯(lián)試，直接在整機狀態(tài)下進(jìn)行主系統(tǒng)驗證試車和整機全系統(tǒng)試車，一試就成，大幅加快了研制進(jìn)度。
及時轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，團隊積極擁抱新興的增材制造技術(shù)（即3D打印技術(shù)），按3D打印特點優(yōu)化設(shè)計建模，制造出低流阻主閥殼體、一體式點火導(dǎo)管等產(chǎn)品，使組件性能提升、重量減小，同時顯著降低研制階段組件制造成本和用時。
目前，85噸開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機已完成十余臺發(fā)動機整機試車，可用于商業(yè)演示驗證飛行試驗和小批量應(yīng)用。從2018年立項，該發(fā)動機以過去難以想象的速度完成了從概念到產(chǎn)品的華麗蛻變。
02
西安航天發(fā)動機有限公司
3D打印零件進(jìn)行了數(shù)十次可靠性考核
85噸級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機由航天科技集團六院西安航天發(fā)動機有限公司生產(chǎn)制造。此型發(fā)動機的研制，標(biāo)志著液體動力“國家隊”在商業(yè)航天領(lǐng)域邁出了重要一步。
航天六院指出，該型號在關(guān)鍵零組件部位采用3D打印技術(shù)，實現(xiàn)方案的快速驗證，并在長期試驗中進(jìn)行了數(shù)十次可靠性考核。西發(fā)公司還突破了噴注器小孔群精密加工技術(shù)、直流自擊式銅-鋼噴注器盤環(huán)釬焊技術(shù)、渦輪泵殼體快速砂型3D打印鑄造技術(shù)、閥門復(fù)雜殼體增材制造技術(shù)、雙組元離心式噴注器一體化增材制造技術(shù)、低溫氧閥密封裝配技術(shù)等多項工藝技術(shù)難點。
該發(fā)動機已完成11臺單機研制試車、6臺工藝試車、共40次點火，累計時長3536s；單臺考核最多6次、834s，單次最長500s；80噸及以上工況單臺試車時間451s、累計試車時間超過800s；首臺產(chǎn)品搭載總體完成動力系統(tǒng)試車，第二臺已組裝完成具備交付條件。
目前，針對85噸級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機的研制生產(chǎn)，正在籌建批產(chǎn)能力，主要用于商業(yè)航天發(fā)動機的銷售和技術(shù)服務(wù)工作，可滿足不同總體用戶需求。
近年來，我國在航天事業(yè)方面飛速發(fā)展，一批新技術(shù)、新材料更多的應(yīng)用在新產(chǎn)品的研制過程中。除了本文所著重介紹的85噸級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機，航天六院還在500噸級液氧煤油發(fā)動機的研制過程中提出了“從接口協(xié)調(diào)、組件設(shè)計到整機設(shè)計，必須全部實現(xiàn)三維設(shè)計”的要求?；谌珨?shù)字化三維模型，設(shè)計團隊開展了拓?fù)鋬?yōu)化，大幅減輕發(fā)動機重量。
航天液體動力增材制造產(chǎn)業(yè)化中心生產(chǎn)線
根據(jù)航天六院于11月發(fā)布的消息，航天特種構(gòu)件增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心建立了覆蓋設(shè)計、材料、成形、后處理、檢測評價的全流程技術(shù)體系和能力體系，實現(xiàn)了3D打印技術(shù)在軍工裝備制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用的示范引領(lǐng)。目前，已實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)件、復(fù)雜殼體等20余類結(jié)構(gòu)共500多種復(fù)雜精密構(gòu)件的增材制造工藝替代，應(yīng)用于50多種液體火箭發(fā)動機，開創(chuàng)了航天液體動力整體集成制造的先例，支撐了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)能力的提升。
注：本文內(nèi)容來自航天六院。
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