航天六院借助3D打印研制我國(guó)新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量達(dá)50余種
以85噸級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，旨在滿(mǎn)足當(dāng)前低成本、快速進(jìn)入太空的“剛需”，適合于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天對(duì)衛(wèi)星載荷發(fā)射的需求。以開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的運(yùn)載火箭，憑借其大推力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，有眾多3D打印技術(shù)的應(yīng)用。
01
西安航天動(dòng)力研究所
三年內(nèi)完成新型發(fā)動(dòng)機(jī)從概念到定型
按照慣例，一款新型大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)從確定設(shè)計(jì)指標(biāo)到正式定型，往往需要10年左右時(shí)間。近年來(lái)，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(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)積極吸取國(guó)外知名商業(yè)航天公司的快速迭代研制思想，通過(guò)一次試車(chē)多次點(diǎn)火，完成多個(gè)考核目的，大幅降低研制成本。
在虛擬開(kāi)發(fā)、虛擬驗(yàn)證、虛擬裝配等“黑科技”加持下，研制團(tuán)隊(duì)在成熟產(chǎn)品的研制數(shù)據(jù)、研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)字化手段，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)建模、仿真和分析，加快研制進(jìn)度。
研制初期，設(shè)計(jì)人員遇到某民營(yíng)航天公司的渦輪泵專(zhuān)家，該專(zhuān)家問(wèn)，你們發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展怎么樣，什么時(shí)候渦輪泵聯(lián)試。設(shè)計(jì)人員回答，我們不做渦輪泵聯(lián)試，直接整機(jī)試車(chē)?；卮鹆顚?zhuān)家驚訝不已。渦輪泵聯(lián)試是發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程中的一項(xiàng)重要工作，也是體現(xiàn)研制進(jìn)展的一個(gè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)。但渦輪泵聯(lián)試對(duì)于試車(chē)臺(tái)改造工作量很大，加上產(chǎn)品生產(chǎn)裝配時(shí)間，整個(gè)周期預(yù)計(jì)在半年以上。經(jīng)過(guò)充分論證，大膽創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用新技術(shù)、新驗(yàn)證方法，合理策劃試驗(yàn)流程，繞過(guò)渦輪泵聯(lián)試，直接在整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行主系統(tǒng)驗(yàn)證試車(chē)和整機(jī)全系統(tǒng)試車(chē)，一試就成，大幅加快了研制進(jìn)度。
及時(shí)轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，制造出低流阻主閥殼體、一體式點(diǎn)火導(dǎo)管等產(chǎn)品，使組件性能提升、重量減小，同時(shí)顯著降低研制階段組件制造成本和用時(shí)。
目前，85噸開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已完成十余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車(chē)，可用于商業(yè)演示驗(yàn)證飛行試驗(yàn)和小批量應(yīng)用。從2018年立項(xiàng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)以過(guò)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(dòng)機(jī)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(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)由航天科技集團(tuán)六院西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)制造。此型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，標(biāo)志著液體動(dòng)力“國(guó)家隊(duì)”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(hào)在關(guān)鍵零組件部位采用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方案的快速驗(yàn)證，并在長(zhǎng)期試驗(yàn)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(pán)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(mén)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(xiàng)工藝技術(shù)難點(diǎn)。
該發(fā)動(dòng)機(jī)已完成11臺(tái)單機(jī)研制試車(chē)、6臺(tái)工藝試車(chē)、共40次點(diǎn)火，累計(jì)時(shí)長(zhǎng)3536s；單臺(tái)考核最多6次、834s，單次最長(zhǎng)500s；80噸及以上工況單臺(tái)試車(chē)時(shí)間451s、累計(jì)試車(chē)時(shí)間超過(guò)800s；首臺(tái)產(chǎn)品搭載總體完成動(dòng)力系統(tǒng)試車(chē)，第二臺(tái)已組裝完成具備交付條件。
目前，針對(duì)85噸級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的銷(xiāo)售和技術(shù)服務(wù)工作，可滿(mǎn)足不同總體用戶(hù)需求。
近年來(lái)，我國(guó)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(guò)程中。除了本文所著重介紹的85噸級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，航天六院還在500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中提出了“從接口協(xié)調(diào)、組件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)，必須全部實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)”的要求?；谌珨?shù)字化三維模型，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了拓?fù)鋬?yōu)化，大幅減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。
航天液體動(dòng)力增材制造產(chǎn)業(yè)化中心生產(chǎn)線(xiàn)
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(jì)、材料、成形、后處理、檢測(cè)評(píng)價(jià)的全流程技術(shù)體系和能力體系，實(shí)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(shí)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)件、復(fù)雜殼體等20余類(lèi)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(dòng)機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了航天液體動(dòng)力整體集成制造的先例，支撐了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)能力的提升。
注：本文內(nèi)容來(lái)自航天六院。
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