全球13款金属3D打印的火箭发动机

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南极熊导读：众所周知，3D打印技术在航空航天领域的应用越来越火，这其中就包括诸如火箭等大型设备的开发与制造。那你知道全球有哪些火箭制造商采用了3D打印技术吗？他们的制造水平又到了何种程度？要知道，大多数航空航天相关企业已开始进行相关研究，以实现全3D打印的火箭。南极熊在这里就为大家汇总了国内外3D打印火箭发动机的案例，以供参考。

1、中国深蓝航天

2021年7月，深蓝航天“星云-M”1号试验火箭在陕西铜川深蓝航天试验基地完成了“星云-M”1号试验火箭首次垂直起飞和垂直降落（VTVL）的自由飞行试验（又称“蚱蜢跳”），首飞试验任务圆满成功。





执行本次飞行的“星云-M”1号试验箭配套了由深蓝航天自主研制的“雷霆-5”型液体火箭发动机（简称：LT-5），是国内首型使用3D打印技术制造的针栓式电动泵液氧煤油发动机。“雷霆-5”型液体火箭发动机真空推力最大为50kN，发动机能够实现50%-110%推力区间调节；同时，LT-5采用了电动泵调节推进剂流量，针栓式喷注器可自动维持不同工况下的稳定燃烧。目前正在研制中的新型发动机同样选择了经过验证的3D打印技术和后处理工艺，新交付的发动机结构部件最大尺寸达到600mm×600mm×600mm。





2、马斯克的SpaceX

2017年1月14日当地时间，SpaceX在加州范登堡空军基地成功发射了一枚猎鹰9号火箭，其中采用了大量的3D打印零件，包括关键的氧化剂阀体，3D打印的阀体成功操作了高压液态氧在高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比，3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比，3D打印阀体在两天内就完成了。设计是个快速迭代的过程，这为SpaceX抢占时间和快速优化设计提供了极佳的便利条件。





除了猎鹰9号火箭，SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室，使用了镍铬高温合金材料。与传统的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和并降低制造成本，而相比传统制造发动机的成本，而且可以实现“材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等”优良属性。这是一种非常复杂的发动机，其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金，是创造SuperDraco发动机的关键。





3、中国航天六院增材制造火箭发动机推力室隔板加强肋

2021年6月17日，长征二号F遥十二运载火箭托举着载有三名航天员的神舟十二号载人飞船冲向太空。作为我国唯一的大型液体火箭发动机研制生产厂，7103厂生产制造了该火箭所用芯一级发动机、二级发动机、助推器发动机，并采用3D打印技术制造相关零件，实现了发动机更可靠，效率速度双提升。

7103厂增材制造创新中心主任杨欢庆介绍，发动机推力室隔板加强肋是其中之一。加强肋是发动机隔板夹层内流通道的关键构件，主要用于保证发动机的燃烧稳定性。该产品之前采用熔模精密铸造工艺生产，有29个工艺流程，配套设备多且依赖性强，合格率不足20%。通过3D打印技术替代熔模精密铸造工艺，加强肋的制造周期缩短了75%，合格率提升至98%，成本降低30%，且产品多项性能指标接近甚至超过传统铸件历史最高值。





4、NASA 3D打印铜合金燃烧室高强耐氢合金喷管

NASA于2020年12月9日发布官方声明，其3D打印铜合金燃烧室和高强度耐氢合金火箭发动机零件通过了23次点火测试。经过2020年11月的一系列点火试验，NASA证实了两个增材制造的发动机部件——铜合金燃烧室和由高强度耐氢合金制成的喷管，可以承受在飞行中传统制造的金属结构所经历的相同极端燃烧环境。





NASA通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料，形成高强度铁镍超合金轴向接头的火箭推力室喷管，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合材料（PMC）外包装将整个推力室总成（TCA）进行外包装。

NASA制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42是一种高导电性、高导热性、高强度的合金，有望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却以将腔室热壁保持在高强度温度区域中。NASA开发了生产封闭壁铜合金衬里的能力，使复合材料成为腔室护套作为可行且理想的选择。





5、印度SkyrootAerospace公司全3D打印低温火箭发动机

2020年9月28日，在印度著名火箭科学家Satish Dhawan博士诞辰100周年之际，Skyroot Aerospace公司推出了第一台带100％3D打印喷油器的火箭发动机——Dhawan-1，并配置在其Vikram I运载火箭上进行了成功测试。





据悉，Skyroot成立于2018年，其团队由之前曾在印度空间研究组织(ISRO)工作过的火箭工程师组成。Skyroot目前专注于开发其首款Vikram I运载火箭，3D打印也是整体火箭制造技术的关键部分，该公司称通过3D打印技术可将发动机质量降低50%，并减少其构造所需的零部件，且将其生产的交货时间缩短了80%。

Skyroot下一步将对正在研发的火箭的两个完整阶段进行试射，该公司还同时在开发下一代运载火箭Vikram-2和Vikram-3，这些运载火箭将在2022年至2023年之间的某个时间点问世，并与现有的更大的拼车式火箭具有成本竞争力。





△Skyroot全系列发动机

与传统制造相比，该引擎能够多次重启，使他们能够在一次任务中将各种卫星插入多个轨道。关于通过3D打印技术制造3D打印注射器，除金属外，Skyroot还在3D打印过程中使用特殊材料，Skyroot期待将3D打印应用到Vikram-2火箭中。

6、Pangea Aerospace 和 Aenium开发重复使用3D打印火箭发动机Aerospike

南极熊获悉，Pangea Aerospace是一家开发更高效火箭发动机的创新公司，Aenium Additive Systems是一家专门从事增材制造技术和复杂材料科学的工程公司，已就先进燃烧室的开发和工业化建立了工业合作伙伴关系，例如 Aerospike 火箭发动机，专注于先进的 3D 打印工艺和材料。

两家公司正式签署协议，意在突破设计复杂燃烧室，并对不同类型的先进高温合金进行分析，用于航天领域最苛刻的应用。

Pangea 已将其新型 Aerospike 演示器的研发、制造和工业化分配给新组建的团队，有望在 2021 年底之前进行热火测试。Pangea 是致力于开发可重复使用的发射系统，位于欧洲。此外，该合作将为欧盟市场带来第一个 GRCop 42 工业化方案，使其他航天公司能够通过增材制造获得最先进的火箭推进技术。



Pangea Aerospace 首席执行官 Adrià Argemi 表示，“Aenium 是快速推进计划的完美合作伙伴，我们很高兴与像他们这种尖端增材制造初创公司合作。与 Aenium 的合作不限于在欧洲共享 GRCop42 的能力，GRCop42 是一种专为火箭发动机开发的铜材料。Aenium 还在工艺和材料方面带来了无与伦比的专业知识和研发能力。GRCop42 基合金是关键解决方案之一，它使我们能够解决气钉喷嘴火箭发动机的热挑战。我们现在准备为所有欧洲航空航天部门敞开怀抱。”

GRCop-42 是一种高导电性、高强度合金，用于高热通量应用，例如液体火箭发动机和其他燃烧装置。这种由 NASA 开发的铜铬铌合金专为具有良好抗氧化性的再生冷却燃烧室和喷嘴所特有的恶劣环境而开发。

利用 Aerospike、GRCop42 和3D打印技术，Pangea Aerospace 正在先进制造为火箭发动机开发备受追捧的 Aerospike 喷嘴。由于更高的效率（比目前使用的火箭发动机高 15%）、可重复使用的能力以及极低的成本和快速的制造能力，Aerospike 发动机可以从根本上改变太空发射。该公司目前正在制造 DemoP1，并将在 2021 年第三季度进行一场发布会活动。



DemoP1 是一种液氧和甲烷气钉发动机演示器，旨在表征和验证未来气钉发展的几项关键使能技术：使用甲烷作为燃料，一种双再生冷却系统：利用两种推进剂冷却它 、可重复使用的设计。

在此之前已经开发或概念化了几种 Aerospike 发动机（J-2T、XRS-2200 和 RS-2200），但从未真正飞行过。因为受制于 Aerospike 喷嘴相关的工程困难：冷却和制造。增材制造 (AM) 技术和 GrCop42 等新材料增强了以极少的成本和时间构建功能性和经济上可行的 Aerospike 发动机的可能性。

Pangea Aerospace 和 Aenium 的合作让这个新型发动机的实现更近了。Pangea Aerospace 已经开始了更大的、可商用的 Aerospike 发动机及子系统的初步设计。Aenium 带来了在材料科学和增材制造工艺方面的专业知识，而 Pangea Aerospace 则带来了在推进系统设计方面的专业知识。

7、贝索斯蓝色起源BE-4火箭发动机

Blue Origin公司是由亚马逊CEO杰夫-贝索斯（Jeff Bezos）一手创办的，与高调的SpaceX不同的是，该公司一直在秘密地开发其BE-4火箭发动机。2016年初，Blue Origin成为首枚连续两次成功发射和着陆的垂直起降的商用火箭，从而在回收利用火箭方面再次胜出SpaceX公司。

具体来说，Blue Origin采用3D打印技术来打印BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子。BE-4是以液化天然气为燃料的新一代火箭发动机。





杰夫·贝索斯表示，BE-4除了主泵提供的推力，还通过几个“升压”涡轮泵，混合液态氧和天然气从而提供500000磅的推力，3D打印在发动机的生产中发挥了关键作用。此外，Blue Origin新一代火箭发动机BE-4核心零部件OBP增压泵的第二次迭代正在进行测试，并且以及完成单元组件，将进行 BE-4发动机试验安装。BE-4继续亚轨道飞行试验计划，BE-4有望结束美国对俄制RD-180发动机的依赖。





8、欧洲航天局3D打印火箭发动机燃烧室

2019年2月18日，欧洲航天局（ESA）测试了带3D打印燃烧室的BERTA火箭发动机，其参考升力为2.45 kN（550.78 lbf）。BERTA被视为3D打印用于更大的发动机的ETID（Expander-cycle Technology IntegratedDemonstrator-ETID为扩展循环技术集成演示器）。





△BERTA燃烧室演示器点火测试 来源：ESA

ETID是下一代10吨火箭发动机的先驱技术载体，其中一些技术也可用于升级现有的Vinci发动机，Vinci发动机为阿丽亚娜6提供动力。通过首次测试被ESA视为增材制造火箭发动机零件的重要一步。用于下一代运载火箭的100吨级火箭发动机Prometheus（普罗米修斯）也将受益于BERTA的测试过程中，并获得技术传承，例如增材制造复杂零件以及实现低成本燃烧室的制造技术。





该燃烧室由Ariane集团开发，作为ESA未来发射器预备计划（FLPP）项目的一部分，由Ariane集团开发的BERTA发动机设计用于“可储存的推进剂”，这意味着燃料可以在室温下储存。这种类型的发动机可以点燃几次并且非常可靠。它们可用于地球轨道以外的任务，并持续数月。增材制造发挥的作用是制造复杂设计的冷却通道。传统的制造方法无法一体化的制造如此复杂的通道，通过3D打印冷却腔室带有复杂冷却通道的壁。使得发动机的性能获得提升。BERTA发动机采用的是选择性激光熔化（SLM）金属3D打印技术，镍基合金材料用于制造注射头部分，不锈钢材料用于制造燃烧室部分。





9、英国航空航天公司3D打印机快速成型火箭发动机

2021年3月，英国航空航天公司Orbex与AMCM合作，宣称要建立欧洲最大的工业3D打印机，以实现快速打印火箭发动机。





△Orbex生产的Stage 2 Prime火箭

Orbex计划在其位于苏格兰高地Sutherland的A'Mhoine半岛的太空港发射Prime运载火箭，该运载火箭已于2020年8月获得计划许可。A'Mhoine基地将于今年开始动工，目前是英国唯一获得规划许可的太空港，并将于2022年开始首次轨道发射。





△工程原型中的3D打印火箭发动机

几个月来，Orbex与AMCM进行了一系列试验，以打印一系列大型火箭部件，因为它希望扩大其发射的生产能力。AMCM将在Orbex的工厂定制建造并安装两家公司声称是欧洲最大的工业3D打印机，该工厂将扩大1000平方米，以容纳这些机器。数百万英镑的3D打印系统将包括后处理机器和“机器视觉”系统，这些系统将对打印的火箭组件进行基于影像的自动检查。

为了消除将零件连接和焊接在一起可能引起的弱点，Orbex的火箭发动机零件将被单件打印。这些组件将使用包括钛和铝在内的定制金属混合物进行打印，以确保系统轻巧耐用，足以承受航天飞机的极端温度和压力。Orbex估计，新的打印系统每年将提供超过35台火箭发动机和涡轮泵系统，并且作为第一个从新的A'Mhoine太空枢纽发射的系统，它可能会成为第一个成功将商用火箭从英国发射到轨道的系统。

10、澳大利亚SPEE3D低成本金属 3D 打印火箭发动机

2021年7月12日，澳大利亚冷喷涂 3D 打印机制造商SPEE3D宣布计划通过低成本金属 3D 打印火箭发动机“彻底改变”航天领域。SPEE3D 将寻求使用其冷喷涂技术，为澳大利亚新兴的工业航天工业制造高质量、廉价的金属 3D 打印火箭发动机。





据报道，SPEE3D 获得专利的冷喷涂增材制造技术，能够比传统的金属 3D 打印方法快 100 到1,000 倍的速度打印金属零件。据推测，该技术也是唯一能够以比传统制造更具竞争力的成本按需打印金属零件的工艺之一。冷喷涂不依赖于激光或其他基于热的能源，而是利用动能通过高速压缩气流将金属粉末喷涂到基材上。这为材料提供了足够的能量来变形并粘合到下面的固体部分，形成额外的层。

该公司的 WarpSPEE3D 3D 打印机在短短三个小时内以不到 1,000 美元的成本生产了一个 17.9 公斤的铜火箭喷嘴内衬。现在，在政府对其 SPAC3D 项目的支持下，SPEE3D 将寻求将其技术应用于制造高质量的金属 3D 打印火箭发动机，与传统生产的发动机相比，这些发动机仍然便宜。WarpSPEE3D能够在极端条件下运输和卸载，并且可以在 30 分钟内运行，发现能够以每分钟 100 克的速度打印重量高达 40 公斤的大型金属零件。





△SPEE3D3D 在短短三个小时内打印出铜制火箭喷嘴内衬

11、Rocket Lab

2015年，总部位于加利福尼亚的航空航天公司Rocket Lab宣布开发出世界上第一枚电池动力火箭，而且发动机几乎完全是3D打印的。这套低成本的发射系统以Electron的形式出现，卢瑟福发动机可以在24小时内3D打印出来。发动机的主要推进阀、喷油器、泵和发动机室都是通过电子束熔化3D打印出来的，发动机本身也是首创，它使用电动马达代替气体，创造出更轻巧、高效的机器。这家初创公司将3D打印用于火箭的主要部件，目前已经发射了第16次任务。此外，Rocket Lab于今年推出了其下一代可重复使用的3D 打印火箭 Neutron。





不难看出，全球各地火箭发动机制造商在太空竞赛中面临着激烈的竞争，我国3D打印火箭发动机同样有着出色表现，这也表明3D打印在火箭发动机制造方面有着极大的应用潜力。星辰大海是征途，坎坷艰辛唯不悔，我们也相信中国航天未来可以在火箭发动机制造领域站稳脚跟、发光出彩。

12、Launcher金属3D打印火箭发动机

自2017年成立以来，Launcher不断利用3D打印技术来升级火箭发动机的性能。他们的目标是创造高效、最佳成本的火箭，能够将小型卫星送入太空。

在2019年获得太空部队150万美元的合同后，Launcher开始着手为E-2发动机开发3D打印部件，生产了一个火箭燃烧室，据说是同类产品中最大的部件，高860毫米，具有410毫米出口喷嘴。燃烧室是使用EOS子公司AMCM提供的M 4K 3D打印机一体制造的。





△发射器的AMCM-3D打印燃烧室，照片来自AMCM

发射器的E-2发动机是用高性能铜合金3D打印的，需要更少的推进剂就能进入轨道，因此允许在每枚火箭上运送更多的卫星，而且拥有比竞争对手更低的价格。
2021年5月，Launcher公司与3D打印机制造商VELO3D和仿真软件公司Ansys合作，优化E-2火箭发动机中另一个性能关键部件的设计：一个传统的液氧（LOX）涡轮泵。在美国宇航局斯坦尼斯航天中心进行了发动机测试后，涡轮泵将在发射前被集成到 "轻型发射器 "火箭中。





13、Relativity Space全金属3D打印火箭

Relativity Space是第一家成功做到完全3D打印火箭的公司，使制造成本大幅度降低。与SpaceX的猎鹰9号相比，Terran 1报价成本是它的五分之一不到。如今，Terran R被设计为可重复使用，将会使成本进一步降低。





△Relativity 3D打印机制造火箭燃料箱

但是，Relativity的野心不仅仅在降低成本之上，TerranR的综合能力足以能够与猎鹰9号正面交锋。仅从助推器配置比较：猎鹰9号配备了9个Merlin发动机，每个发动机的推力约为190,000磅（约86.2吨）；而Relativity的Terran R 配备 7 个Aeon R发动机，每个发动机的推力为302,000磅（约137吨），几乎不相上下。如果Terran系列发射成功，那么结合制造成本，Relativity的优势会更加明显。





△Relativity最近扩大了生产能力，包括在NASA的斯坦尼斯航天中心建立了一个火箭工厂，图片来自Relativity Space

Relativity Space首席执行官兼联合创始人Tim Ellis表示公司从五年前就计划3D打印Terran 1和Terran R。同第一款火箭Terran 1一样，公司的第二款产品Terran R将继续利用 3D打印方法减少零件数量、提高创新速度、灵活性和可靠性，将下一代运载火箭推向市场。Relativity将继续致力于3D打印整个火箭并在火星上建立人类的工业基地。





△Aeon发动机

2020年，Relativity Space进行地面点火试运行测试的火箭发动机型号为Aeon 1，采用甲烷和液氧作为动力，单个发动机最大推力23000磅（10.43吨）。

目前一台Aeon 1有三个大的部件，总共100多个零件，平均制造周期只有一个月。

传统火箭一般都有几千个零部件，生产周期至少需要六个月左右，这其中大部分时间要花在供应链订购不同产品上。

相比之下，Relativity Space的3D打印工厂将传统的供应链缩短为一站式制造方式。





△3D打印的Relativity Space Aeon发动机点火

「打印机」本身，是Relativity Space自己开发的Stargate3D打印机。



不难看出，全球各地火箭发动机制造商在太空竞赛中面临着激烈的竞争，我国3D打印火箭发动机同样有着出色表现，这也表明3D打印在火箭发动机制造方面有着极大的应用潜力。星辰大海是征途，坎坷艰辛唯不悔，我们也相信中国航天未来可以在火箭发动机制造领域站稳脚跟、发光出彩。

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