当前关注:部件少80%,时间短70%,成本减半,国产新火箭发动机这次突破不小

来源:顶端新闻时间:2023-04-10 15:56:46

(天龙2号点火升空瞬间)

中国民营航天企业“天兵科技”透露,他们的天龙-2运载火箭,采用了自己的研制了天火-11发动机。而天火-11大量采用了3D打印技术,减少了制造周期,降低了成本。这个突破为国产运载火箭低成本发射铺平了道路。

天火-11多达80%的零部件由3D打印制成,包括预燃料室、推力室、涡轮泵、阀门等关键部件。火箭发射之后,这些3D打印部件经受住了高温、高压和高速转行环境的考验,验证了部件可靠性和技术可行性,为下一步扩展运用积累了打下了坚实的基础。


(资料图片仅供参考)

(天火-11部分参数。发动机外形更简洁,零件明显较少)

【3D打印,可大幅降低成本】

3D打印优点包括制造成本低、时间周期短,可以快速制造形状和平面复杂的物体,能够根据用户要求对物体形状或者平面进行定制,使用灵活性好。另外3D打印不需要大量复杂、昂贵的机床,对于厂房和生产线依赖也非常小,这样就进一步降低了系统的成本和价格。

(3D打印设备正在制造一个航天器部件)

成本是3D打印最大的长处,这个特点让它在航天领域有着独特的优势。航天器要在极端环境下运行,因此对于材料和工艺要求极高。许多部件、结构和设备需要采用昂贵的合金和材料,若是因加工浪费则太可惜了。

传统制造是减材制造,就是用一大块材料削出零件外形,不但浪费材料,加工时间也长。另外航天器对于性能要求越来越高,这样相关零部件形状越来越复杂,有的部件可能需要分解成上百个零部件,然后再组装成型,制造加工难度大、时间周期长,成本价格高。如果用3D打印技术来实现就要容易的多。

(从大铁饼中抠出一个叶盘,80%的金属被剔除消耗掉了)

3D打印也存在一些不足需要克服,首先是不能太大批量的生产。现在3D打印多运用在小规模、昂贵材料,数以万计的大规模生产还需要时日。另外3D打印将各种材料烧结在一起,结构存在薄弱环节,脆性比较大,这些缺点都需要继续攻关和解决。

(天火发动机测试画面,零件经受住了严酷考验)

【从170个零件,变成2个零件】

2013年美国航空航天局(NASA)使用3D打印技术制造出了运载火箭喷嘴,并且成功进行了测试。按照NASA的说法火箭喷嘴形状复杂,如果用传统手段加工,需要接近170个零部件,然后再组装起来,时间周期长,成品率低。如果用3D打印机,只需要2个零部件就行了,时间周期短,成品率高,有效降低了系统成本和价格。

(传统火箭发动机其实很复杂)

按照NASA的说法成本降低了70%以上,可以说效果显著。而欧洲泰利斯公司在通信卫星天线制造上采用3D打印技术,制造出来的天线重量减少20%,成本降低30%,时间周期缩短3个月左右。俄罗斯也在卫星上面运用了3D打印技术,首枚3D打印卫星已经在2016年发射升空。

(结构复杂的火箭零件,用3D打印可一体成型)

【中国航天在3D打印上发力】

中国也在大力推动3D打印技术发展和应用。航天工业已经开始用3D打印技术制造复杂的部件和设备。例如发动机喷嘴、燃料导管等,有些部件已经进入使用。

(为方便传统加工,很多部件只能被设计成多个零件组成)

国产长征5号运载火箭部分部件,就采用了3D打印制造,2020年,长征5号还把一艘国产试验飞船送到太空,船上就有一部3D打印机,用来验证3D打印在在太空环境下的性能。

(长5使用的3D打印尼龙保护板,不需造模具,生产反而更快更便宜)

【3D打印,提高中国航天国际竞争力】

天兵科技作为一家民营航天企业,控制成本是企业运营和发展的关键。3D打印技术对他们的重要性不言而哈,为此才自行研制了天火-11液氧煤油发动机,这型发动机是全球首型采用3D打印机技术的“闭式补燃循环-液体火箭发动机”。

(天龙2号火箭点火瞬间)

天兵科技应用3D打印技术制造了这种发动机关键部件,从而减少了原材料、加工设备及人员投入,有效控制了成本和费用。相比传统生产工艺,发动机部件数量减少80%,制造周期缩短70%,成本和重量降低50%左右。由于发动机性能提高,重量降低,推重比达到100以上,在当今同等量级发动机处于领先水平。

预计中国航天将在目前成果之上,进一步扩大3D打印技术运用,不断增强国产运载火箭性能,降低发射成本,有效提高在国际市场的竞争能力。

(国家队与民营算一起,中国火箭种类还是相当不少)

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