从火箭发动机应用案例看3D打印发展趋势
火箭发动机利用冲量原理，将推进剂贮箱或运载工具内的反应物变成高速射流，从而产生推力。火箭发动机集 合了高推力（百万牛顿），高燃气压力（10-200大气压），高排气速度（音速的10倍），高推重比（>100）等技术特点，对设计和制造提出了严苛的要求。本期优化讲坛为大家来盘点一下3D打印在火箭发动机中的应用进展和发展趋势。受到传统制造技术的限制，以前的喷油嘴制造方法为：先分别制造出不同的部件，然后再将它们焊接起来。但焊缝天然具有缺陷，容易断裂，在高强度压力下极易导致零件破坏。而且焊接会使喷油嘴的重量增大。Aerojet Rocketdyne AR1火箭发动机的喷油嘴使用选择性激光熔化（SLM）技术制造。设计师将喷油嘴设计优化为一个整体的零件，有利于零部件的减重和性能的提升。同时，把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。
燃烧室是火箭发动机的关键部件，推进剂在燃烧室混合并点燃，产生高达2760℃的高温。这需要复杂的内部冷却通道，保证燃烧室的正常工作。美国航天局NASA 利用3D打印技术制造了一个铜质发动机燃烧室，打印材料为GRCo-84铜合金，打印工艺为选择性激光熔化（SLM）。复杂的冷却要求使燃烧室成为最难开发的发动机部件之一。工程师根据3D打印的技术特点，重新优化了燃烧室内外壁之间的200多条复杂的通道，从而使燃烧室具有更好的冷却效果。NASA的最终目标是要是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升，同时至少降低50%的制造成本。
3D打印技术给予了设计师更加广阔的设计自由度。在制造复杂轻量化结构零件方面，设计师可以从结构的功能需求出发，实现多种轻量化结构。莫纳什大学的科研团队通过金属3D打印设备和轻量化结构的设计思路，对火箭发动机零件进行了再设计和探索，设计了一个带有点阵夹芯薄壁结构的火箭发动机零件。
本期优化讲坛为航空航天3D打印应用发展趋势的第三篇（其余两篇为：从空中客车应用案例看3D打印发展趋势和从波音公司应用案例看3D打印发展趋势），结合这三篇分析文章来看，3D打印技术的推广应用不仅依赖于设计研发人员的3D打印优化设计思维、工艺研发人员的3D打印制造技术提升，而且也依赖于材料研发人员的3D打印新材料开发。以3D打印铜合金发动机燃烧室为例，此项目的难度不仅在于冷却流道的设计复杂性，同时也面临着铜合金3D打印的挑战。铜是一种难以用于增材制造的材料，为此，工程师专门开发了一种3D打印铜合金GRCop-84，并通过了NASA的验证。然而，NASA还在开发更好的3D打印铜合金。据报道，在GRCop-84的基础上，NASA又开发了GRCop-42，GRCop-42具有类似GRCop-84的强度，但有更加优异的导热性。
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首次发布时间：2021-10-18
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