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3DS领衔欧航局 DMP成型完爆卫星制造

2015-08-27 09:38
Radow
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  3D Systems与欧洲航天局合作,采用增材生产工艺,直接金属制造喷射器、燃烧室和膨胀喷嘴(双组元通信卫星引擎组件)。这些零部件将有助于欧洲航天局进一步提高现有制造能力。此外,欧洲航天局和3D Systems直接金属制造专家利用直接金属打印(DMP),制作上述卫星发动机部件,例如集成外部支撑支架和薄壁压力容器的整体式燃烧室。DMP技术能减轻重量,简化装配,加快生产周期,并支持后期设计调整。与欧洲航天局的合作,让3DS有机会施展其在航空航天制造领域的独门绝技。为此,欧洲航天局也特地调研了采用增材制造直接金属打印(DMP)的航天卫星发动机零部件。

  直接金属打印现状

  通信卫星负责保障移动互联网和银行间的安全金融通信、电视直播,以及天气预报。欧洲航天局的一大职责是监管卫星发动机技术的研发。作为内部融资项目,欧洲航天局正在调研金属增材制造/直接金属打印(DMP)的技术现状,评估发动机生产的未来发展潜能和技术成熟度。

  作为研究项目的一部分,欧洲航天局之所以选择3DS直接金属制造技术,是因为3DS提供的技术专家和客户服务。目前,3DS生产三种关键的发动机部件,以及其他可直接金属打印的功能性替换件。

  卫星发动机的喷射器部分配备有两个受控的推进剂,自发点燃后持续燃烧。文丘里管形状的燃烧室加速化学排气,为卫星提供动力,驶入正确轨道。膨胀喷嘴使气流下沉,从而影响运动特性。

  创新喷射器歧管

  西蒙 海德说:“DMP能提供新型歧管,优化从推进剂阀到燃烧室的流动。”其设计自由度使欧洲航天局得以将喷射器组件数量减少至1件,而传统制造工艺需要5个以上组件,随之消除了多组件密封焊缝可能带来的风险,实现液压喷射的可靠操作;大大降低成本和风险。由于能完全掌控增材式制造过程,3DS直接金属制造实现了均匀的微结构,增加金属和合金(含钛)数量后,具有高达99.98%的相对密度。

  DMP还适于制造喷射器热传感装置,防止热量被敏感的推进剂阀座和航天器本身重新吸收。不采用机床安装,重新设计散热支架,通过金属支架控制导电。喷射器零件内置可用于航天的钛材料(Ti6Al4V),满足航天部门的产品保障要求和火箭发动机设计师的设计需求。

  分离的燃烧室

  紧凑型卫星发动机的燃烧室通常由一个配备无支撑出口的缩扩型喷嘴构成。推进剂完全在渐缩环节中进行化学反应,然后排气流经喉管收缩处,进入扩散环节,以超音速扩散。现有的燃烧室能承受发射相关的非工作负荷,较厚的壁用于承受瞬间负载反应。进入轨道后,就不再需要这么厚实的壁了。

  西蒙 海德说,DMP允许燃烧室在运作和非运作阶段互相分离,独立响应。直观上,这就变成了支柱支撑燃烧室薄壁,焊接凸缘连接膨胀喷嘴。取代粗支柱的,是3DS直接金属制造生产的低密度网格支撑结构。其体积密度低至12%,DMP可大幅减轻燃烧室重量,或改善结构性安全边距。

  燃烧室采用Ti6Al4V材料建造,这是一种耐火合金材料(基于铌、钼、钽、钨和/或铼等),能承受极端的燃烧热量。这一革命性的燃烧室设计调研,涉及网格在应力场及其热影响下的各向同性研究。该网格将提高表面的有效辐射率,因此肯定会影响到燃烧室周围的热通量。

  大尺寸DMP

  欧洲航天局工程师还用DMP生产了出口直径为50厘米膨胀喷嘴,以检测效果。这可能是有史以来打印的最大航空部件。说起DMP生产量,3DS能够打造任何几何形状的零件,只要体积在275 x275 x450毫米内即可。喷嘴的应力相当低,悬臂质量最小化有助于提高悬臂发动机的余量。3DS直接金属制造用钛材料(Ti6Al4V)生产膨胀喷嘴,能在很大程度上满足机械和耐热要求。

  西蒙 海德认为,传统的片材旋压成形工艺剥夺了设计自由,而这正是DMP优势所在。利用此技术,可根据客户特定的推力需求,来调整发动机的性能,便于将可选设计方案遗留到研发周期的后期再做决定。

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