谷市場研究 l 透視3D列印火箭發動機推力室,噴射器和渦輪泵專利

2020-11-30 3DScienceValley

摩根史坦利（Morgan Stanley）估計，到 2040年，全球航天產業的收入將從目前的 3,500億美元發展到超過1萬億美元的市場規模。根據3D科學谷的市場觀察，這其中伊隆·馬斯克（Elon Musk）創建的Space X, 以及亞馬遜CEO傑夫貝索斯創立的Blue Origin，可能是該產業最大的參與者之一。除此之外，還有起步較晚的Launcher、Relativity Space等初創公司。

Relativity Space這家90後掌舵的初創企業，正在以力挽狂瀾的融資之勢，向3D列印製造整個火箭發起強烈攻勢。就在2019年10月Relativity Space新一輪融資籌集了1.4億美元（10億人民幣）。而另外一家年輕的公司Rocket Lab（創立於2006年)，則獲得了總數超過2.15億美金（15億人民幣）的融資。

如此強勁的融資背後一方面是航天產業巨大的市場空間，另一方面是新興的火箭企業獨具特色的火箭製造技術。本期，3D科學谷特別分享3D列印火箭發動機推力室，噴射器和渦輪泵專利方面的分析。

3D列印催生結構一體化複雜零件

根據3D科學谷的市場研究，近日，Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日），則詳細的披露了Rocket Lab通過增材製造工藝來製造火箭推力室、用於火箭發動機的噴射器和渦輪泵。

等距剖視圖的細節圖。來源：Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日）

用於火箭發動機的傳統渦輪泵組件通常包括由一個或多個渦輪機械驅動的離心推進劑泵。該系統的控制非常複雜，因為需要從推進劑泵流出的少量推進劑來供應氣體發生器，從而為渦輪機提供動力。

電動渦輪泵的葉輪的側視圖與俯視圖。來源：Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日）

Rocket lab的專利確定使用增材製造技術用於渦輪泵組件生產可以極大地簡化這種系統的組裝，通過選區金屬熔化工藝來製造各種部件將大大降低這種系統的組裝複雜性。

3D列印-增材製造技術允許形成複雜的幾何形狀，而使用傳統的減材加工技術或鑄造/注射成型技術很難或不可能實現。3D列印技術的這種靈活性在火箭發動機設計領域提供了獨特的機會。

推力室的分解側視圖。來源：Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日）

從推力室的分解側視圖可以看出，噴射器122可以插入在蓋105和筒部分102之間。推力室通過增材製造技術來製造，材料是鈦合金，而喉部103和擴張部104可通過增材製造形成為單件。推力室由三個部分形成，由於推力室具有雙壁結構，因此Rocket Lab已經開發出焊接方法以將多個部分組合在一起。

值得一提的是由於這種發動機的構造，控制傳統火箭發動機內的冷卻劑流動通道110的表面粗糙度是很成問題的。在這種傳統製造的火箭發動機中，控制冷卻劑流動通道內的表面光潔度的能力非常小，因為在形成冷卻劑流動通道之後，通常無法進入通道的內表面。

相反，使用增材製造技術形成推力室的部分提供了相對獨特的能力，該能力在兩個層面上存在：

首先，可以設計出小的凸塊特徵，脊，突起，凹谷等，這些特徵用於在冷卻劑流動通道的特定區域中提供局部變化。

第二，通過調整增材製造技術的加工參數和粉末可以產生不同的表面粗糙度。例如，選區雷射熔化金屬3D列印加工過程中通常使用的粉末顆粒的平均粒徑通常可以在30μm至110μm之間。

改變冷卻劑流動通道內的表面粗糙度還可以提供增加的傳熱特性，其可以在某種程度上補償用於形成推力室的材料的熱特性。例如，在傳統推力室中通常使用銅。3D列印的推力室可以使用鈦合金（包括Ti.sub.6Al.sub.4V），鋼合金（包括不鏽鋼合金和馬氏體時效鋼合金）和Inconel合金（例如Inconel.RTM.625（UNS N06625）或Inconel.RTM.718（UNS N07718）），因為這些材料的熱導率比銅低一個數量級或兩個數量級。

與銅相比，改變冷卻劑流動通道內的表面粗糙度可以在某種程度上補償這些材料的導熱係數降低。

當然，根據3D科學谷的市場觀察，銅合金目前也逐漸被納入到選區金屬熔化3D列印的加工範圍內，其中，NASA就成功3D列印出銅合金燃燒室零部件，這個燃燒室內外壁之間具有200多個複雜的通道。而國內金屬3D列印企業鉑力特已在銅金屬雷射成形領域取得了進展，研製出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D列印工藝，實現了複雜流道的銅材料製造工藝，成功製備出3D列印銅合金尾噴管。

Rocket lab的專利顯示，可以使用增材製造或3D列印來製造噴射器122。根據3D科學谷的市場研究，噴射器可以是結構一體化整體結構，不需要部件之間的連接，這為噴射器提供了強度和可靠性。選區雷射熔化加工過程可能導致成品上的粗糙表面，該粗糙表面可以用磨料去除或清潔。不過表面粗糙是有積極作用的，表面粗糙度導致的推進劑流中的湍流可能推進劑流撞擊時協助霧化。

參考資料： 1 . Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1

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