从有需求、无设备，到打印全球最大火箭燃烧室，成就航天，也成就3D打印行业
世界上许多性能最高的液体火箭发动机都是在20世纪80年代由俄罗斯和乌克兰的团队设计而成。科学家和工程师在当时的苏联取得如此成绩确实令人震撼，其代表产品RD-180至今仍然用于美国阿特拉斯5号的一级火箭。这也是被部分中国航空航天公司关注的重要原因。
不过，盯上他们的不止中国人，成立于2018年、总部位于纽约的航天技术公司Launcher，不久前任命了前乌克兰海基发射服务公司Yuzhnoye的液体推进部门副总设计师、火箭科学家伊戈尔·尼先科为首席设计师，其在高性能液体火箭发动机开发方面有超过30年的经验，参与了多种运载火箭推进系统的设计和开发。双方都在将增材制造大范围用于火箭重要部件生产方面富有冒险精神。这些努力，不仅成就了航天，也成就了3D打印行业。
3D打印，是新兴航天公司致胜的重要依赖技术
对于火箭开发来说，最具挑战性的任务之一就是制造富含狭窄、复杂形状冷却通道的燃烧室。火箭在发射过程中，燃烧室的温度达到3000-4000℃，这足以熔化任何金属。导致它不会立即熔化的唯一原因，就是一侧散失的热量要比另一侧吸收的热量更多更快，大约1mm壁厚的冷却通道发挥了重要作用。而它的机械加工，尤其是随后的封闭，都是一项困难的技术挑战。
通过3D打印，可以在燃烧室中创造出最优形状的冷却通道，将高传热和低水力损失结合起来。使用传统技术创建这样的通道，将会产生极高的机械加工和钎焊成本。对于新兴航天技术公司来说，3D打印则是他们致胜的关键。
Launcher 3D打印的全尺寸E-2液体火箭发动机
2020年10月， Launcher开始测试其全尺寸的E-2液体火箭发动机，旨在以最低的成本为小型航天运载火箭提供最高的性能。因为采用了一米高的3D打印单件铜合金燃烧室，这家只有不到20名员工的公司，得以在最短的时间以相对较低的预算实现了这一目标。
然而，E-2液体发动机的3D打印零件不只有燃烧室，还有液氧泵、涡轮泵以及喷油器等等。接下来，3D打印技术参考将分别介绍这些零件的制造材料、完成单位以及其他细节。
从有需求、无设备，到打印一体化的全球最大火箭燃烧室
早在2017年，Launcher就指定了E-2发动机的制造路线图。最初是将涡轮泵的开发作为其首要目标，这是因为当时的SLM设备已经具备了这一应用所需的制造体积，然而当时还没有可以打印一米高零件的3D打印机，无法整体制造单件E-2燃烧室。其他航天公司则调整思路，选择生产较小的发动机，或者将零件分成三件或更多件分别打印再组成一个整体。然而，这种方法会降低燃烧/冷却性能，增加发动机重量以及成本。
Launcher一直在推动SLM设备制造商开发更大成型尺寸的金属3D打印机，但当时只有EOS旗下的AMCM公司愿意尝试，并迎合Launcher的开发需求。此外，AMCM看到了更多的潜在应用以及需求，进而加快了开发进程，使其M4K打印机得以提前两年投入使用，这使得Launcher能够在推进涡轮泵研发的同时开发E-2燃烧室。
E-2火箭发动机燃烧室3D打印过程
M4K打印机的成型尺寸为450 x 450 x 1000mm，配备4台1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一个燃烧室模型。最终全尺寸的燃烧室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的单一组成部分3D打印燃烧室。
2019年以来，AMCM已经为Launcher完成了多个版本的燃烧室制造任务，以供不同的测试需求。2020年10月lanucher开始对E-2进行测试，前两次测试的燃烧室并没有冷却功能，以降低风险并测试3D打印喷油器的性能，两项测试均获成功。第三次测试的燃烧室则具有全部功能，并确保冷却通道的清洁。
3D打印的铜合金燃烧室具有优异的表面质量
镍基合金只是折中方案，铜合金整体打印却不是谁都能做
在开发全尺寸的E-2发动机之前，E-1已经是一款功能齐全的小型原型机，用于全面评估和测试发动机设计的各个方面。最初计划采用镍基合金制造这两款发动机。但在项目的早期阶段，Launcher发现英国3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技术打印铜合金。双方接洽后，开始测试标准的C18150 CuCrZr合金作为燃烧室材料的性能，结果发现该材料具有高效的热传导性和冷却效果，且传导性能达到了镍基合金的20倍，不仅提高了燃烧室的寿命更降低了成本。
如今，铜合金被广泛认为是冷却液体火箭发动机的最高性能材料，而镍基合金则是一种折衷方案。然而，在当时则鲜有能够完整打印整件铜合金燃烧室的服务提供商。通过与3T的合作，Launcher在不到8周的时间里完成了从报价、制造到试车的过程。
3D打印燃烧室剖面图可看到复杂的流道
从E-1到E-2，更大的内部冷却通道更容易打印和清洁粉末，但制造具有必要强度的壁和歧管则较为困难。这一阶段的关键除了设计优化之外，还需要在打印机上开发能够制造一米高铜合金燃烧室的工艺参数，这成为该项目成功的关键因素之一。
工艺开发分为两个阶段，首先是在AMCM M290 1KW打印机上开发，之后将其移植到M4K上，它们具有类似的光学配置。在生产完第一批样品并确认材料质量后才进行燃烧室的打印。2018年和2019年，launcher对E-1发动机的各种原型进行了试车，包括研究不同制造参数（如粉末层厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。
3D打印的燃烧室在进行热等静压
热处理也是项目成功的关键因素，E-2的最终热处理和热等静压（HIP）由Launcher定制开发，Quintus Technologies的设备完成，以达到其特定的材料性能目标。
除燃烧室、喷油器采用3D打印制造外，E-2火箭发动机的液氧泵、涡轮泵也是3D打印而成。前者是火箭发动机的核心部件，用于液氧的输送与增压，由EOS M290采用镍基合金和铝合金材料3D打印；后者又被称作是火箭发动机的心脏，用于给发动机增压，它由Protolabs采用Velo3D的设备和In718镍基合金打印而成。可以明确的是，这两个零件都经过了热处理，并留下了经过加工的表面。截至2020年7月，3D打印的涡轮泵已完成70多次验证。
3D打印的E-2火箭发动机液氧泵
3D打印的E-2火箭发动机涡轮泵
将3D打印的优势、缺点，统统转化为优势
Launcher首席设计师伊戈尔·尼先科列举了增材制造技术的优势，包括实现独特形状（包括内部通道等）的设计自由度的能力、相比传统技术在进行更大和更复杂项目方面的处理速度以及将多个组件整合到一个零件中的能力等，均被用到了E-2燃烧室的设计和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之处，即表面粗糙度较大。然而，在燃烧室的设计中它也起到了积极作用：通道中的粗糙表面可以显著增加冷却液的传热。在一些传统制造的发动机中，燃烧室通道也会以特殊方式加工来获得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而变成了优势，从而减少了后续加工。
3D打印的燃烧室正在进行机械抛光
燃烧室已连接管道准备试车
任何传统技术，包括冲压、机加工、钎焊、焊接和再次机加工的许多阶段，都不可能在两周内从零开始制造出一个几乎完工的燃烧室，即使拥有这方面所需的所有机械，而增材制造却将此变成了现实。
END
航天领域将成为金属增材制造越来越重要的市场。Launcher和AMCM之间的合作，使由此产生的材料和工艺技术向更为宽广的应用范围扩展。作为一项加工技术，它不仅被行业巨头开放，私营企业和小型组织也完全可以获取。
金属3D打印是促成Launcher等私人航天快速发展的创新技术之一，它以相比过去极低的成本开发和制造火箭发动机，大大加快了开发时间，并取得了燃烧效率的提高。而在此前，火箭发动机的高昂成本只有超级大国才能负担得起。如果没有3D打印，像Launcher这样的小公司则不可能以如此小的代价取得如此大的成功，而没有这些应用的推动，3D打印技术的发展则可能不会这么迅速。
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