欧洲太空总署利用3D Systems DMP技术打印太空卫星发动机零件

3D Systems 2017-08-04

3D Systems公司和欧洲航天局 (简称ESA)合作，通过直接金属打印技术(简称DMP)和按需定制服务团队，制作出了用于一个双组元通信卫星发动机的喷油器，燃烧室和扩张喷管。这些零件可以让ESA评估潜在的因素从而进一步改善现行产品的设计。

太空卫星发动机喷油器

燃烧室包括支架

大型扩张喷嘴

此外，ESA和3D Systems公司的直接金属打印专家利用DMP直接金属打印，为上述卫星发动机零件来设计并制作功能分离的替代品，例如一个单片燃烧室的设计可结合一个薄壁压力容器和支持外部结构的支架。DMP直接金属打印可以减少重量，简化组装，制造速度快且支持后期的设计适应性。与ESA的合作符合3D Systems公司的战略：提供其独特的技术来支持更卓越的太空和航天航空制造。

新型DMP歧管允许优化推进剂从阀门进入到燃烧室

通过具有130微米分辨率的X射线图像来判断，使用DMP技术来制造喷嘴是可行的

DMP的现状

通信卫星是移动互联网和保障银行、电视广播和天气预报这些商业沟通中所必需的。ESA的其中一个作用就是监督太空卫星技术的开发。作为内部资金项目的一部分，ESA正在研究金属增材制造/直接金属打印，他们在评估它的潜能和未来在发动机开发方面的前景。

作为研究项目的一部分，ESA选择了3D Systems公司的直接金属打印，选择3D Systems是因为他们的专业技术知识和优秀的客户服务。3D Systems制造出了3个拥有当前设计的关键发动机零件，还有可行的DMP功能设计变量。

卫星推力器上面的喷油器以一种可控的方式把两种推进剂结合在一起，使其自发点燃且持续燃烧。文丘里管形状的燃烧室加速了化学气体的排放从而推动卫星进入正确的轨道。扩张喷管通过对下游的气流产生影响，进而再影响到其运动特性。

创新型的喷油器制作

“DMP直接金属打印提供了创新型的歧管装置来优化从推进器阀到燃烧室的流程，”海德·西蒙说。它的设计自由使ESA将喷油器装配件的数量减少到1个，而传统制造的话装配件会超过5个，也消除了对于液压喷射操作来说存在潜在风险的密封焊接，这大大降低了成本和风险。通过对增材制造流程的完全掌控,3D Systems公司的直接金属打印可得到一个相对密度达到99.98%的均匀微结构，适用的金属合金包括钛合金材料也在逐渐增多。

DMP也适合于喷油器的热敏设计，可预防热量回溯到敏感的推进剂阀座和航天器本身。治具不再受限制让热敏元件的新设计可通过使用一个金属支架来控制导电率。内置适合飞行的钛合金材料(Ti6AI4V)，喷油器零件可达到空间区段和火箭发动机设计师需要的产品保证要求。

现有设计

燃烧室的功能在可操作和不可操作的负荷情况下分离。转化为支撑架构来支持薄的燃烧室壁

新设计

一个显著的特征是其建立DMP低密度网格的能力，这在DMP软件方面已经成为标准

理想的设计是在辐射面上形成低密度的网格用以支撑发动机燃烧室的薄壁

分离的燃烧室功能

紧凑的太空卫星发动机燃烧室一般包含一个带有无支撑喷嘴口的收敛-扩张喷管。推进剂会在排出的气流通过收敛段进入到扩张段前，在喷管的收敛部分完成化学反应。现有的分离室是被用设计用来抵挡与发射，厚室壁瞬态加载这些联系在一起的非运作加载。一旦一切就位且可以进行操作，燃烧室就不再需要这些厚室壁。

Simon Hyde说，DMP 直接金属打印允许燃烧室的功能在可操作和不可操作的负荷情况下分离。直观地说，这将转化为支撑架构来支持薄的燃烧室壁和扩张喷嘴连接物的焊接凸缘。3D Systems公司的直接金属打印制作的支撑架构是低密度网格状的，不是粗糙的支撑物。正由于它的体积密度低于12%，DMP生产的主要燃烧室重量减少或者是说改善到了结构所需的安全边际量。

内置的Ti6Al4V材料，这种真正的壁室材料是耐火的合金(例如：基于铌，钼，钽，钨和(或者)铼)来抵御极端的燃烧热量。进一步研究显示这创新的燃烧室设计涉及到网格在应力场的无向性和其复杂的热冲击。这个网格会提高有效的表面发射率，所以它会影响燃烧室周围的热通量。

大型的金属打印

ESA的工程师也检验了通过DMP技术制造的出口直径接近50厘米的扩张喷管。这大概是以前从未制造过的最大的SLM零件了。说到DMP的产量，3D Systems公司能够制造的零件尺寸在275 x 275 x 450毫米。喷嘴上的应力相对来说很小而且最小化了悬臂式的质量。3D Systems公司的直接金属打印使用钛合金(Ti6Al4V)制作了扩张喷管，这很大程度上满足了扩张喷管的机械和热敏要求。