航天六院丨融合增材制造技术的液体火箭发动机创新设计方法与应用

增材制造技术的出现，改变了液体动力的传统研制模式，为传统的液体动力结构设计方式带来了巨大变革，并牵引了数字化设计技术的发展。一方面,增材制造的技术特点不仅契合发动机的研制需求,还能融合设计与制造，极大释放设计人员的自由度。另一方面,提升发动机的设计水平，通过新方案、新材料以及新工艺等带动，也将引领和驱动增材制造技术的发展。

⑤可重复使用。通过零部件修复和逆向设计功能,对多次飞行后的疲劳易损件(如涡轮叶片、推力室内壁、管路等)或破坏件进行快速的修复或更换，助力发动机的可重复使用。近年来，增材制造技术的发展给发动机的研制提供了创新思路，世界各航天大国纷纷在液体动力领域积极探索和应用增材制造技术。

     

1.全面综述融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法

总结了增材制造在液体火箭发动机的应用技术和发展特征，介绍了增材制造在液体火箭发动机的主要制造技术，比较了各种技术的优缺点。总结了融合增材制造的液体火箭发动机设计理念变革路径和发展特征。

下图2以航天飞机主发动机RS25为例,比较PBF和DED技术在制造发动机推力室头部的差异。可以看出,虽然PBF技术制造精度更高,但是制造速度相比DED技术有所降低。DED技术的材料可以是粉末或金属丝,能量来源有3种:激光(高能光和光纤激光)、电子束和电弧。PBF技术只能加工粉末,能量来源主要是激光(以光纤激光为主)和电子束。激光是增材制造金属材料加工成型最主要的能量来源。

     

增材制造“逐层堆积”的制造方式可实现高度复杂结构的自由生长成形，极大地拓宽了设计空间，融合增材制造后的创新设计主要体现在结构优化设计、结构功能一体化设计、复杂组件集成与可靠性设计、基于增材制造工艺约束和材料性能的设计等方面。

图3 面向增材制造的发动机可靠性设计方法

图6 常平环拓扑优化过程

图7 常平环轻量化方案应力与位移分布

     

图9 3D打印常平环试验校核

基于轻质多孔结构设计的换热器是发动机中应用增材制造技术相比传统方案优势明显的对流换热功能部件。某发动机从涡轮出口管引出高温、高压富氧燃气用于驱动氧预压涡轮泵，同时，从该管路取热为推进器贮箱增压。因此，需结合受限空间设计一款氦气/燃气换热器。受总体结构空间布局限制，氦换热器需满足热功率高、体积小等特点。图10为氦换热器的结构示意图，经评估氦换热器热功率650 kW、紧凑度达135 m2/m3，换热和体积均满足设计要求，且内部结构均采用免支撑、易清粉设计。

     

总结与展望

增材制造为液体火箭发动机的传统设计方法体系带来重大变革。本文对融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与原则进行了研究和总结,并以常平环和换热器等部件为例，具体阐述了增材制造技术如何为发动机零部件的研制带来突破性变革。对某发动机常平环结构，通过载荷分析、拓扑优化、曲面光整、3D打印和试验验证，确定了新的结构方案，在满足强度要求的前提下实现了减质约50%的效果。对某发动机换热器,增材制造突破了传统制造无法制备复杂曲面结构的难题，使该部件能够在有限体积下最大限度地利用散热面积进行热交换，大幅提高了换热效率。两种结构部件进一步通过热试车验证和现场评估，证明了新设计方案在发动机实际工程应用中的适用性。

基于发动机增材制造技术研制现状和需求，为进一步提高其性能，在结构设计方面，还需要在下列方向重点突破：

1)针对基于增材制造的结构优化设计，目前在宏观实体结构优化方面已经比较成熟，但是，面向宏观实体、多胞元或多级多孔结构结合的多层级结构优化方面还存在不足。一是多孔结构的快速分析方法，需要综合考虑计算速度、计算效率和准确性等因素; 二是缺乏一个全面的多孔结构性能数据库，数据应包含多孔结构的制备材料性能、单胞结构设计参数、胞元构型及对应的刚度、强度、能量吸收量、固有频率、疲劳、断裂韧性等静动态力学性能，以便于能够快速选择相应的多孔结构进行优化设计。

2)针对结构功能一体化设计，发动机目前主要的结构设计和优化仍然以承载功能为主，多功能耦合设计和协同优化由于缺乏相应的设计分析软件和设计规范标准等，难以开展。结构功能一体化设计可以和复杂组件集成设计一起进行，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的设计思想体系，从而实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成，燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合，以及热、力、声等多物理场优化。同时,一体化设计还能实现刚度、质量、模态等动静性能协调匹配。可先在小推力或姿轨控发动机等小载荷环境下试行开展，形成一定的设计方法和准则，然后拓展至大推力发动机。