金屬3D打印技術變革火箭發動機制造!軍火巨頭洛克希德·馬丁44億美元收購Aerojet

南極熊導讀:截至2020年,多數火箭制造商,特別是火箭發動機,都已經開始應用金屬3D打印技術來生產零部件,甚至還有的更徹底——整個火箭都是3D打印的。世界最強大的火箭發動機廠商之一Aerojet也不例外。

△Aerojet火箭發動機引擎

2020年12月23日,南極熊獲悉,近日發生一起超大金額的並購案件,火箭發動機制造公司Aerojet Rocketdyne Holdings, Inc. (NYSE:AJRD)已達成最終協議,將被軍事武器巨頭洛克希德·馬丁(2020年受到中國制裁)以全現金交易方式收購,總股權價值為44億美元(約合288億人民幣)。而Aerojet Rocketdyne公司在研發和制造火箭發動機的過程中,很好地應用瞭3D打印技術,變革傳統工藝。

△消息公佈後,Aerojet股價大漲10.73美元至52.77美元,漲幅25.5%,市值41億美元

早在2015年時候,南極熊曾經報道過這傢GenCorp旗下的Aerojet Rocketdyne公司,他們在薩克拉門托成功完成瞭對AR1增壓發動機關鍵部件的點火測試。AR1火箭發動機的單沖量(single-element)主噴油嘴是完全使用3D打印機制造的。

AR1是一款50萬磅推力級的液氧/煤油發動機,美國希望用它來替代俄羅斯的RD-180發動機。根據2015年美國國防授權法案的要求,為瞭美國國傢安全的考慮。到2019年之前美國制造的替代產品要完全取代俄羅斯的RD-180發動機,並可用於火箭發射。

據南極熊瞭解,Aerojet Rocketdyne不但研發火箭發動機還從事導彈等武器的研發。

史上最強大的火箭發動機RS-25

NASA的無人駕駛太空發射系統(SLS)巨型火箭將繞月球飛行,這是Artemis 1任務初始測試飛行的一部分。SLS是有史以來最強大的火箭,由四個超級引擎提供動力,這些超級引擎旨在處理一些最極端的溫度,需要大量的推進劑以產生足以使火箭逃脫地球引力的能量。Aerojet Rocketdyne將制造總共24架RS-25火箭發動機,支持多達6架SLS飛行,合同總價值近35億美元。其中18臺發動機將繼續優化供應鏈,並結合初始SLS發動機生產中已經引入的增材制造(AM)技術。

△SLS配置,由RS-25火箭發動機提供動力

金屬3D打印技術變革火箭發動機引擎制造

運用金屬3D打印技術來降低成本並提高發動機引擎效率,是航空航天和國防公司的頭等大事。Aerojet Rocketdyne數百人一直在從事發動機的設計、開發和制造工作,這些發動機主要依靠激光粉末床融合(如SLM選擇性激光燒結)技術來進行3D打印。每個發動機引擎上有35個3D打印的零件。 △Aerojet Rocketdyne的火箭發動機,使用3D打印生產重啟引擎上的某些零件,除瞭此處所示的動力頭零件以外,還采用瞭現代制造技術來生產新的主燃燒室和噴嘴△Aerojet Rocketdyne RS-25航天飛機主機(SSME)的熱試點火“我們工作重點是制造可靠、堅固的3D打印零件,可以勝任全生命周期的工作。幾年前,我們開始設計其中一些部件,以確保通過NASA太空計劃的測試和認證,這對即將進行的載人飛行任務的安全至關重要。”Aerojet Rocketdyne相關負責人表示。3D打印簡化瞭多個RS-25零件和組件的生產,使發動機的生產成本更低,同時提高瞭可靠性。減少零件焊縫,發動機的結構完整性會提高。這是一個非常復雜的制造過程。實際上,火箭發動機的制造復雜到,以至於隻有少數幾個國傢能夠制造出來。△Aerojet Rocketdyne的增材制造團隊成員,從左至右:Bryan Webb,Ivan Cazares和Alan FungRS-25發動機上最大的3D打印零件之一是關鍵的“ Pogo”蓄能器組件。復雜零件大約相當於沙灘球大小,可作為減震器,以減少推進劑在飛行器和發動機之間流動時引起的振蕩。這是火箭引擎的關鍵部件,因為它有助於使宇航員和飛行器的行駛平穩,確保安全飛行。

Pogo過去需要100多個焊縫,而且都是手工完成,並且花費需要將近四年的時間,而在洛杉磯Aerojet Rocketdyne工廠生產的3D打印Pogo將焊縫降低到隻有3個,並在不到一年的時間內完成。△金屬3D打印的Pogo其中一些經過修改優化的組件,已經在滿足飛行條件的發動機測試期間進行瞭測試。例如,在NASA的Stennis航天中心進行的400秒測試中,Aerojet Rocketdyne能夠成功評估瞭3D打印Pogo蓄能器組件的性能。與NASA合作,Aerojet實施瞭一項計劃,與老版本飛船相比,未來的發動機成本降低瞭30%以上,這要歸功於3D打印等先進的制造技術,工程師修改瞭火箭的某些零件。在飛行過程中,四個發動機引擎將為SLS提供約200萬磅的推力,將重型火箭送入太空。火箭發動機安裝在一個212英尺高的核心平臺的底部,該平臺可容納700,000加侖的推進劑,並伴有控制火箭飛行的飛行計算機。

△太空發射系統(SLS)

南極熊瞭解到,Aerojet的3D打印團隊正在使用GE Concept Laser和EOS機器來滿足選擇性激光熔化的要求。他們使用超級合金,主要是鎳基合金,用於3D打印的發動機零件,因為它具有出色的耐腐蝕性、高強度,並且能夠抵禦大多數液體推進劑火箭發動機中的氫燃料所引起的氫脆性。

△視頻:RS-25發動機點火測試這些新的RS-25發動機是航天飛機發動機的升級版,而航天飛機發動機已經是歷史上最可靠的發動機。工程師花瞭40年的時間,讓往返式發動機盡可能地可靠、安全和高性能。通過增材制造,大大降低瞭成本。這項技術將徹底改變火箭發動機引擎的制造方式。

更多先進的火箭制造技術

△Aerojet 工廠裡RS-25發動機組件的噴嘴套。重啟生產後,噴嘴套的生產進行瞭現代化改造,零件數量從幾十個減少到瞭四個。在噴嘴組件的生產中,將一千多個冷卻管精確地佈置在護套的內部,然後用釬焊工藝將它們融合在一起

RS-25發動機噴嘴是制造過程中工作強度最大的零件之一。液態氫穿過噴嘴襯套內部的1,000多個冷卻管,從而保護噴嘴免受發動機高溫的燃燒。如果這些零件是單獨制造的,就需要進行復雜的釬焊工藝,以將各個冷卻液管熔合到噴嘴套上。正在研究的思路之一是3D打印發動機噴嘴,並在噴嘴壁中內置冷卻通道。△定向能量沉積(Blown powder directed energy deposition)金屬3D打印技術制造的發動機噴嘴,比傳統制造技術更便宜、更快速“我們正在做一些技術開發工作,這是Aerojet Rocketdyne與3D打印Marshall 工程公司之間的絕妙合作,以探索諸如定向能量沉積(DED)通道壁噴嘴之類的東西。” NASA SLS計劃液體引擎辦公室經理Johnny Heflin解析說,“我們也在研究大規模的3D打印和所謂的激光線封閉等多種不同的新興技術,並試圖完善它,發展為入口引擎上的制造技術。”

△視頻號:3D打印火箭發動機地面點火全周期實驗成功

參考文章:

https://images.weserv.nl/?url=https://www.nasaspaceflight.com/2020/11/sls-engine-upgrades-support-evolution/

https://images.weserv.nl/?url=https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/releases/2020/future-rocket-engines-may-include-large-scale-3d-printing.html

https://images.weserv.nl/?url=https://3dprint.com/267820/d-nasa-wants-aerojet-rocetdyne-to-make-more-rocket-engines-with-3d-printed-parts/

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