国际商业航空公司如何使用3D打印开拓创新

发布时间:2018-10-30

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前言:从1985年到1988年10月间,美国航天飞机的发射价格增加了85%,每次发射费用飙升到9000万美元。2008年,NASA启动了“商业轨道运输服务”项目,旨在为国际空间站发展商业补给服务。这是美国太空探索战略有史以来较大的一次转型。私营公司成为了研发制造航天运载器的主力,NASA则扮演“甲方”的角色。美国载人航天计划:从火箭到飞船,甚至防热层均由商业公司制造,载人登月计划:指令舱、服务舱、登月艇和月球车都是通过招标由商业公司完成。

 

可以说那些参与竞争招标的商业公司才是美国航天大秀中的主角,它们的助力使美国至今保持全球航空航天工业的领头羊位置。而竞争促使企业进一步加强创新、降低成本,加快航天技术革新的步伐。国际商业航空公司无一不对新技术趋之若鹜,3D打印便是其中之一,本期,跟随笔者了解这些航天公司以及他们在3D打印方面的应用。

 

1. SpaceX发射带有3D打印部件的载人龙飞船

 

SpaceX由马斯克于2002年创立。2012年10月,SpaceX龙飞船将货物送至国际空间站,开启私营航天的新时代。2015年12月,SpaceX实现火箭全面回收,并计划于2019年中,采用带有3D打印部件的龙飞船运送两名太空游客进行绕月旅行。

龙飞船内部

SpaceX使用3D打印初期也是从非关键部件开始。2014年,SpaceX成功发射猎鹰9号火箭,猎鹰9号含有大量3D打印零件,其中包含关键的主氧化器阀体。该阀体仅用两天即完成制作,相较需要数月时间才能完成加工的传统方式优势明显,更为关键的是该部件在发射的高震动、高热量和高压力下正常运行。

SpaceX 3D打印的氧化器阀体(SLM,来自马斯克twitter)

2013年,SpaceX即开始使用3D打印制造SuperDraco发动机推进器燃烧室,燃烧室采用镍铬高温合金,安装在龙飞船内部,是航天器发射逃生系统的一部分。如果在发射过程中发生意外,内置在龙飞船一侧的八个SuperDraco发动机将带领宇航员到达安全地点。从2013年至今,SuperDraco发动机已完成上百次3D打印关键组件的测试。

SuperDraco发动机推进器测试过程

与传统发动机制造技术相比,使用增材制造不仅能够显著地缩短火箭发动机的交货期并降低制造成本,同时,3D打印也可展现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。

 

2. 蓝色起源重复发射带有3D打印零件的火箭

 

蓝色起源(Blue Origin)是亚马逊CEO杰夫·贝索斯 (笔者推荐《一网打尽》) 旗下的一家商业太空公司,2000年成立。2015年11 月,蓝色起源实现“新谢泼德”火箭发射和回收,随后又实现火箭的重复发射,该公司还是获得NASA资助的4家公司之一,由此可见这家公司的实力。它只是最不为人知,贝索斯比马斯克要低调的多。

 

蓝色起源火箭回收实验

蓝色起源在3D打印方面进行了大量投资,充分采用新技术进行可行性尝试,仅新谢泼德太空船上就有超过400个增材制造的零件。而其下一代火箭发动机BE-4,更是有很多关键部件采用3D打印制造,如发动机增压泵(OBP)外壳采用铝合金打印,内部集成了传统方法难以加工的复杂流道;液压涡轮采用镍基合金打印,仅需要最少的加工即可达到所需的配合,类似的还有涡轮喷嘴和转子也是如此。

BE-4 3D打印OBP增压泵

蓝色起源总裁在将传统铸造方法制作的零件与3D打印零件进行比较时,阐明了蓝色起源3D打印技术的优势,传统方法需要一年才能完成的工作,3D打印仅花了3个月时间,3D打印为蓝色起源带来“开发时间的重大进步”。

 

3. 洛克达因3D打印迄今为止很大引擎部件

 

洛克达因(Aerojet Rocketdyne)的历史要追溯到1942 年,二战前后,是世界公认的为航天、导弹和战略系统提供推进和动力系统的领导品牌,同时在3D打印技术的应用方面也处于先进地位。

 

2016年,洛克达因与NASA签署了一项金额为16亿美元的合同,为后者开发RS-25火箭发动机,3D打印是其中一项关键技术。至今,RS-25完成了多次3D打印组件的测试,其中采用SLM制造的pogo蓄能器是Aerojet迄今为止很大的3D打印引擎部件,该部件使焊接量减少了78%,对于减少飞行过程中的引擎振动具有重要作用。

RS-25发动机pogo组件400秒热火测试

尽管Pogo蓄能器组件是发动机中很大的3D打印组件,但它并不是Unique component,因为Aerojet Rocketdyne越来越多地转向增材制造技术,以创造复杂且成本更低的部件。美国要求2019年之前必须摆脱对俄RD-180火箭发动机的依赖,洛克达因AR1火箭发动机成为蓝色起源BE-4对RD-180替代发动机的备选,但AR1仍将低风险、成本低视为目标。在AR1开发过程中,3D打印发挥了重要作用。使用传统制造工艺,往往需要六个月才能生产出一个单件喷油器,一年时间才能制造出一个全尺寸的预燃室喷油器,而3D打印在一个月内就完成了一个单件喷油器从设计、到制造、再到测试的过程,并在三个月内制造出一个小尺寸的喷油器。如此大幅削减了开发时间和费用。

AR1火箭发动机

除了将3D打印技术用于AR1部件的原型和测试之外,Aerojet Rocketdyne也在使用该技术来创建制造的部件,从而将3D打印技术的应用从开发环境过渡到置换环境。虽然该公司真正将3D打印的部件用于AR1或其它火箭当中还需要满足严格的技术和质量要求,但是这一可能性已经越来越大。

 

4. 维珍银河采用3D打印加快太空商业旅游的步伐

 

维珍银河于2004年成立,2012年,维珍银河太空商业旅游业务正式开售,皮特、小李子、比伯已陆续够买了其太空票,3D打印为帮助他们早日进入太空做出了重要贡献。

维珍银河航天飞机

维珍银河的关键目标是减少生产发动机制造所需的时间。利用DMG增减材一体设备,每小时可打印4.5公斤、1.5米高、1米宽的零件。这意味着采用打印机可以制造包括燃烧室组件在内的主要系统,而不仅仅是螺栓和支架。这些庞大、复杂和高质量要求的部件,无法在传统的3D打印机上构建。以往需要一年时间制作的燃烧室如今仅需要一个月时间即可制造完成。

                                              

维珍银河增减材直接制造

 大量减少时间和成本具有短期和长期效益。短期是成本和交付周期的缩短;但从长远来看,维珍银河正处于火箭制造和新一代发动机技术根本变革的阶段,这些技术将加速其进入太空的步伐。

 

5. Launcher3D打印铜合金发动机组件

 

Launcher成立于2017年,目前已将10颗卫星送入轨道。Launcher采用铜合金3D打印的“Engine-1” 发动机已成功试射,该公司在低成本商业卫星发射的道路上又向前迈进了一步。

3D打印铜E1引擎组件

与同类航空航天初创公司(SpaceX、维珍银河、Blue Origin和Aerojet Rocketdyne等)一样,Launcher 正在其轨道任务中采用3D打印技术。通过增材制造,Launcher能够以比传统制造更快的速度开发发动机。事实上,在过去两年中,该公司已经成功地进行了至少8次由镍基合金制造的3D打印推进室热火试验。

                                                   

3D打印铜合金E1发动机成功测试

2018年6月,Launcher与EOS确认了制造合作关系。Launcher采用EOS M290打印了铜合金E1引擎,其冷却能力与燃烧效率比镍基合金表现更好。3D打印的使用使发动机开发更具成本效益,同时也为新材料的测试减少了时间成本。

 

除却上述企业之外,商业航空公司还有SpaceWorks、Rocket Lab、Relativity Space等,无一没有使用3D打印,其中Relativity的目标更是要3D打印整个运载火箭,篇幅所限不一一介绍。3D打印的在航空业中的作用主要体现在加速开发、节省成本、突出结构和性能优势。

 

但无论哪家公司要3D打印何种组件,都要经过上百次的重复试验以确保安全,从中我们可以看出航空的探索精神。

 

相比我国的商业航空尚处于起步阶段,未来的进步空间巨大,相应的资金投入也会越来越多,3D打印所能起到的作用也将是至关重要。中国的科技界的巨头们做好准备了吗?

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