运用3D打印技术制造下一代火箭发动机

过去几年，航空航天领域的公司一直在研究如何利用增材制造即3D打印来助力火箭发动机的生产。美国洛克达因公司就是这些公司中的代表，一直致力于3D打印RL10发动机的零部件。6月初，该公司宣布其3D打印的铜质推力室成功完成一系列热点火测试。对洛克达因公司而言，使用3D打印可以减少发动机的零部件数量，从而加快生产并降低成本。洛克达因公司总裁兼首席执行官艾琳•德雷克在4月的一次采访中表示，“使用3D打印可以节省超过50%的时间，并能够降低人工成本，减少供应商数量和零部件数量。”

3D打印技术是洛克达因公司升级版RL10C-X发动机的一个关键要素。该公司正在与联合发射联盟合作开发这款发动机，并计划应用于“火神”（Vulcan）运载火箭的上面级。虽然RL10C-X将应用3D打印技术，但构造基本上与上一个版本一致。许多采用3D打印的其他发动机也是如此，3D打印的目的是削减成本和生产时间，而不是在结构上做出更新。甚至像火箭实验室（Rocket Lab）这样的初创公司也使用3D打印技术来生产其发动机的所有主要部件。

“增材火箭公司”（ARC）联合创始人兼首席执行官安迪·凯提旺5月在加州举行的太空科技博览会上发表演讲称，“增材制造可以让设计更加自由，并能消除工程师之前使用传统方法遇到的所有障碍。”他认为，这个行业存在一个问题，许多公司都在应用3D打印技术为他们的发动机打印零部件，但实际上他们打印的很多零部件仍然可以用传统的方法制造。为此，他联合他人创立了ARC公司，寻求运用3D打印技术以一种不同的方式来制造发动机。“我们打算运用3D打印技术制造一种传统的双推进剂发动机。本质上，其核心能力是完成液体和热量的移动，我们要做的是使之成为最优的推进器。”

ARC公司将3D打印与一种创成式设计工具相结合，该工具可以利用计算机算法提供数千种不同的设计方案，然后反复演算以找到最佳的设计方案。这种方法得出的设计方案可能必须使用3D打印才能生产，这将超出传统发动机工程师的想象。

ARC公司在其第一台发动机上采用了这种方法，该发动机是一种小型再生冷却式发动机。该发动机从外观上看和一般的发动机没什么区别，但他的内部却有几十个输送煤油和液氧的管道，就像血管或树干一样。这是内部输送液体燃料的最佳方式之一。这种“仿生”系统得益于创成式设计的应用。该系统可以降低发动机的压力差，减少燃料输送所需的动力，从而减小支撑发动机的阀门、泵和油箱的尺寸。它还改善了喷嘴的热传递，有利于延长其使用寿命。该公司在其他发动机上也采用这种方法，包括用于航天器的小型单燃料推进器和冷气推进器。这些设计可以提高推进器的性能并降低其质量，让它们可以在小型卫星上使用。

ARC并不是唯一一家探索增材制造新应用方法的公司。例如，“相对太空”公司（Relativity Space）正在尝试对包括发动机在内的整个火箭进行3D打印，并融资了数千万美元用于支持其开发工作。

来源：美国《航天新闻》/图片来自互联网，国防科技要闻