國際商業航空公司如何使用3D打印開拓創新

發布時間:2018-10-30

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前言:從1985年到1988年10月間,美國航天飛機的發射價格增加了85%,每次發射費用飆升到9000萬美元。2008年,NASA啟動了“商業軌道運輸服務”項目,旨在為國際空間站發展商業補給服務。這是美國太空探索戰略有史以來較大的一次轉型。私營公司成為了研發制造航天運載器的主力,NASA則扮演“甲方”的角色。美國載人航天計劃:從火箭到飛船,甚至防熱層均由商業公司制造,載人登月計劃:指令艙、服務艙、登月艇和月球車都是通過招標由商業公司完成。

 

可以說那些參與競爭招標的商業公司才是美國航天大秀中的主角,它們的助力使美國至今保持全球航空航天工業的領頭羊位置。而競爭促使企業進一步加強創新、降低成本,加快航天技術革新的步伐。國際商業航空公司無一不對新技術趨之若鶩,3D打印便是其中之一,本期,跟隨筆者了解這些航天公司以及他們在3D打印方面的應用。

 

1. SpaceX發射帶有3D打印部件的載人龍飛船

 

SpaceX由馬斯克于2002年創立。2012年10月,SpaceX龍飛船將貨物送至國際空間站,開啟私營航天的新時代。2015年12月,SpaceX實現火箭全面回收,并計劃于2019年中,采用帶有3D打印部件的龍飛船運送兩名太空游客進行繞月旅行。

龍飛船內部

SpaceX使用3D打印初期也是從非關鍵部件開始。2014年,SpaceX成功發射獵鷹9號火箭,獵鷹9號含有大量3D打印零件,其中包含關鍵的主氧化器閥體。該閥體僅用兩天即完成制作,相較需要數月時間才能完成加工的傳統方式優勢明顯,更為關鍵的是該部件在發射的高震動、高熱量和高壓力下正常運行。

SpaceX 3D打印的氧化器閥體(SLM,來自馬斯克twitter)

2013年,SpaceX即開始使用3D打印制造SuperDraco發動機推進器燃燒室,燃燒室采用鎳鉻高溫合金,安裝在龍飛船內部,是航天器發射逃生系統的一部分。如果在發射過程中發生意外,內置在龍飛船一側的八個SuperDraco發動機將帶領宇航員到達安全地點。從2013年至今,SuperDraco發動機已完成上百次3D打印關鍵組件的測試。

SuperDraco發動機推進器測試過程

與傳統發動機制造技術相比,使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發動機的交貨期并降低制造成本,同時,3D打印也可展現“材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優良屬性。

 

2. 藍色起源重復發射帶有3D打印零件的火箭

 

藍色起源(Blue Origin)是亞馬遜CEO杰夫·貝索斯 (筆者推薦《一網打盡》) 旗下的一家商業太空公司,2000年成立。2015年11 月,藍色起源實現“新謝潑德”火箭發射和回收,隨后又實現火箭的重復發射,該公司還是獲得NASA資助的4家公司之一,由此可見這家公司的實力。它只是最不為人知,貝索斯比馬斯克要低調的多。

 

藍色起源火箭回收實驗

藍色起源在3D打印方面進行了大量投資,充分采用新技術進行可行性嘗試,僅新謝潑德太空船上就有超過400個增材制造的零件。而其下一代火箭發動機BE-4,更是有很多關鍵部件采用3D打印制造,如發動機增壓泵(OBP)外殼采用鋁合金打印,內部集成了傳統方法難以加工的復雜流道;液壓渦輪采用鎳基合金打印,僅需要最少的加工即可達到所需的配合,類似的還有渦輪噴嘴和轉子也是如此。

BE-4 3D打印OBP增壓泵

藍色起源總裁在將傳統鑄造方法制作的零件與3D打印零件進行比較時,闡明了藍色起源3D打印技術的優勢,傳統方法需要一年才能完成的工作,3D打印僅花了3個月時間,3D打印為藍色起源帶來“開發時間的重大進步”。

 

3. 洛克達因3D打印迄今為止很大引擎部件

 

洛克達因(Aerojet Rocketdyne)的歷史要追溯到1942 年,二戰前后,是世界公認的為航天、導彈和戰略系統提供推進和動力系統的領導品牌,同時在3D打印技術的應用方面也處于先進地位。

 

2016年,洛克達因與NASA簽署了一項金額為16億美元的合同,為后者開發RS-25火箭發動機,3D打印是其中一項關鍵技術。至今,RS-25完成了多次3D打印組件的測試,其中采用SLM制造的pogo蓄能器是Aerojet迄今為止很大的3D打印引擎部件,該部件使焊接量減少了78%,對于減少飛行過程中的引擎振動具有重要作用。

RS-25發動機pogo組件400秒熱火測試

盡管Pogo蓄能器組件是發動機中很大的3D打印組件,但它并不是Unique component,因為Aerojet Rocketdyne越來越多地轉向增材制造技術,以創造復雜且成本更低的部件。美國要求2019年之前必須擺脫對俄RD-180火箭發動機的依賴,洛克達因AR1火箭發動機成為藍色起源BE-4對RD-180替代發動機的備選,但AR1仍將低風險、成本低視為目標。在AR1開發過程中,3D打印發揮了重要作用。使用傳統制造工藝,往往需要六個月才能生產出一個單件噴油器,一年時間才能制造出一個全尺寸的預燃室噴油器,而3D打印在一個月內就完成了一個單件噴油器從設計、到制造、再到測試的過程,并在三個月內制造出一個小尺寸的噴油器。如此大幅削減了開發時間和費用。

AR1火箭發動機

除了將3D打印技術用于AR1部件的原型和測試之外,Aerojet Rocketdyne也在使用該技術來創建制造的部件,從而將3D打印技術的應用從開發環境過渡到置換環境。雖然該公司真正將3D打印的部件用于AR1或其它火箭當中還需要滿足嚴格的技術和質量要求,但是這一可能性已經越來越大。

 

4. 維珍銀河采用3D打印加快太空商業旅游的步伐

 

維珍銀河于2004年成立,2012年,維珍銀河太空商業旅游業務正式開售,皮特、小李子、比伯已陸續夠買了其太空票,3D打印為幫助他們早日進入太空做出了重要貢獻。

維珍銀河航天飛機

維珍銀河的關鍵目標是減少生產發動機制造所需的時間。利用DMG增減材一體設備,每小時可打印4.5公斤、1.5米高、1米寬的零件。這意味著采用打印機可以制造包括燃燒室組件在內的主要系統,而不僅僅是螺栓和支架。這些龐大、復雜和高質量要求的部件,無法在傳統的3D打印機上構建。以往需要一年時間制作的燃燒室如今僅需要一個月時間即可制造完成。

                                              

維珍銀河增減材直接制造

 大量減少時間和成本具有短期和長期效益。短期是成本和交付周期的縮短;但從長遠來看,維珍銀河正處于火箭制造和新一代發動機技術根本變革的階段,這些技術將加速其進入太空的步伐。

 

5. Launcher3D打印銅合金發動機組件

 

Launcher成立于2017年,目前已將10顆衛星送入軌道。Launcher采用銅合金3D打印的“Engine-1” 發動機已成功試射,該公司在低成本商業衛星發射的道路上又向前邁進了一步。

3D打印銅E1引擎組件

與同類航空航天初創公司(SpaceX、維珍銀河、Blue Origin和Aerojet Rocketdyne等)一樣,Launcher 正在其軌道任務中采用3D打印技術。通過增材制造,Launcher能夠以比傳統制造更快的速度開發發動機。事實上,在過去兩年中,該公司已經成功地進行了至少8次由鎳基合金制造的3D打印推進室熱火試驗。

                                                   

3D打印銅合金E1發動機成功測試

2018年6月,Launcher與EOS確認了制造合作關系。Launcher采用EOS M290打印了銅合金E1引擎,其冷卻能力與燃燒效率比鎳基合金表現更好。3D打印的使用使發動機開發更具成本效益,同時也為新材料的測試減少了時間成本。

 

除卻上述企業之外,商業航空公司還有SpaceWorks、Rocket Lab、Relativity Space等,無一沒有使用3D打印,其中Relativity的目標更是要3D打印整個運載火箭,篇幅所限不一一介紹。3D打印的在航空業中的作用主要體現在加速開發、節省成本、突出結構和性能優勢。

 

但無論哪家公司要3D打印何種組件,都要經過上百次的重復試驗以確保安全,從中我們可以看出航空的探索精神。

 

相比我國的商業航空尚處于起步階段,未來的進步空間巨大,相應的資金投入也會越來越多,3D打印所能起到的作用也將是至關重要。中國的科技界的巨頭們做好準備了嗎?

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