Aerojet Rocketdyne（洛克達因）被公認為是美國航空航天和國防領(lǐng)域的領(lǐng)導者，主要服務(wù)于導彈、太空探索、國防和軍備市場。其知名項目包括為NASA阿爾忒彌斯重返月球計劃開發(fā)太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS），以及為美國高超聲速武器提供超燃沖壓發(fā)動機等。

值得注意的是，在其最新的宣傳中，洛克達因均將3D打印技術(shù)用于以上兩個項目的相關(guān)研究和制造中。

為最新高超聲速武器3D打印超燃沖壓發(fā)動機，零件數(shù)量減少95%

2022年3月中旬，美國成功測試一枚高超聲速導彈，但因目下皆知的局勢原因未及時公布消息。這枚由洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的高超音速巡航導彈從B52轟炸機上發(fā)射，以大于5馬赫的速度飛行，飛行高度超過19812米，飛行距離超過482.8千米。該超聲速導彈由Aerojet Rocketdyne超燃沖壓發(fā)動機提供動力，而該發(fā)動機的制造采用了3D打印技術(shù)。

洛克達因表示，通過使用創(chuàng)新的制造技術(shù)和材料，他們不僅提高了產(chǎn)品性能，同時大幅降低了成本和開發(fā)時間。而在此次測試中所使用的超燃沖壓發(fā)動機因使用3D打印技術(shù)，使零件的數(shù)量相比此前X-51A Waverider（美國另一款高超聲速武器）的發(fā)動機零件減少了95%。

再生冷卻薄壁夾層結(jié)構(gòu)

超燃沖壓發(fā)動機的功能要求其采用再生冷卻熱防護技術(shù)，即燃燒室外層需要覆蓋精密流道，以實現(xiàn)燃料對燃燒室的冷卻，因此其結(jié)構(gòu)非常復雜。采用傳統(tǒng)工藝制備，需要將其分解成數(shù)量眾多的零部件、加工成型后經(jīng)由復雜裝備得到，由此，復雜的裝配尺寸鏈傳遞將直接導致相關(guān)零部件需要具備非常高的加工精度，而且加工與裝配消耗的時間也將導致燃燒室制備周期相對漫長，此外大量的零部件裝配勢必引入較多的附加質(zhì)量，這些無效質(zhì)量將使整臺發(fā)動機的有效推重比降低。

這種特殊的結(jié)構(gòu)特點非常適合采用3D打印進行一體化制造，這也是零件數(shù)量大幅減少的原因。同時，也為更好的氣動熱性能、制造的可負擔性、可擴展性和快速制造創(chuàng)造了條件。實際上，不僅洛克達因，其他多個國家都在采用3D打印技術(shù)開發(fā)適用于高超聲速武器的超燃沖壓發(fā)動機。

為 NASA 3D打印太空發(fā)動機關(guān)鍵部件，質(zhì)量、尺寸、成本均大幅降低

除了武器裝備，洛克達因還為太空任務(wù)提供服務(wù)。本月，該公司透露使用金屬3D打印技術(shù)制造了更小更輕的飛行器關(guān)鍵部件。最新公布的這個案例是阿爾忒彌斯計劃的一部分，所制造的部分被稱為“四重”反應(yīng)控制系統(tǒng)，包括四個單獨的推進器，能夠控制航天器在飛行過程中的滾動、俯仰和偏航。該部件最初是為阿波羅任務(wù)創(chuàng)建，已有60年歷史，項目團隊希望重新設(shè)計并采用增材制造以提高效率。Aerojet Rocketdyne團隊希望使推進器更可靠，減少整體零件數(shù)量，使它們更易于組裝和維修，同時還要減輕重量。

公司航空航天工程師兼任務(wù)架構(gòu)師表示，在整個阿波羅計劃期間，美國宇航局生產(chǎn)了650多個這種推進器來支持六次登月，花費了巨額資金，然而對于所有復雜的任務(wù)，越是負擔的起，確保完成的機會就越大，而金屬3D打印在此方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

重量減輕可以降低發(fā)射成本，同時還允許在飛行器上放置更多組件，從而可能延長服務(wù)期或提高其任務(wù)能力。而易于組裝則將降低制造成本，特別是可能面臨整體項目時間表經(jīng)常被壓縮的情況，同時由于組裝工作通常需要在潔凈室環(huán)境中進行，因此易于組裝非常重要。

零件數(shù)量的減少使公司更容易迭代新設(shè)計，這也意味著需要制作的工具要少得多。這顯著減少了工藝開發(fā)的時間并降低了成本，更少的零件意味著更少的流程和工藝步驟，以及更少的零件和材料之間的相互依賴性。只要3D打印步驟得到很好的控制，就可能更容易達到目標。這確實意味著將風險更多地集中在作為一項技術(shù)的3D打印上，但這可能意味著更少的緊固件、焊縫、膠水和其他材料的相互作用而導致的意外故障。

然而，所有因制造產(chǎn)生的成本都是其次，因為太空任務(wù)過于昂貴，如若部件發(fā)生損壞則需要人員在外太空修理，其中的風險可想而知。3D打印一體化設(shè)計和制造將這些可能的風險盡量排除，并能夠增加器件的安全性。

Aerojet Rocketdyne在初步優(yōu)化后采用IN718打印了概念模型，但由于懸垂問題，工程師不得不添加大量支撐來防止熱變形，此后還需要去除支撐，這不僅增加了產(chǎn)品成本且對表面質(zhì)量造成了影響。項目團隊認為仍有大量輕量化和拓撲優(yōu)化的空間，即便在重新設(shè)計過程中消除了大塊不必要的材料，但仍不完美。最終Aerojet Rocketdyne選擇與nTolpology為該項目的推進器進行重新設(shè)計，并由Velo3D提供制造服務(wù)。

nTopology的技術(shù)人員對“外殼”噴射器主體的塊狀結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化，在復雜流體端口和通道周圍留下一致的壁厚，同時消除應(yīng)力集中區(qū)域，并采用晶格結(jié)構(gòu)填充由此產(chǎn)生的空隙，增加了它的強度和剛度。

Velo3D在業(yè)內(nèi)以無支撐打印而聞名，且擁有獨特的解決方案來減輕打印材料內(nèi)累積的內(nèi)應(yīng)力，是少數(shù)能夠成功打印大型復雜鈦零件而不會開裂的金屬增材制造系統(tǒng)供應(yīng)商之一。最終3D打印的鈦合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化推進器在重量、尺寸、制造成本方面均大幅降低：與傳統(tǒng)制造版本相比，質(zhì)量僅有以前的1/5，尺寸減小了一半，制造成本也僅是此前的1/3。而且由于它包含的組件少得多，因此組裝起來也更容易，在操作過程中發(fā)生故障的機會也更少。

項目團隊人員表示，通過利用增材制造和先進的軟件技術(shù)，與過去制造零件的方式相比，3D打印能夠增加可負擔性、縮短交貨時間并大大提高系統(tǒng)性能。他們的下一步是演示這個概念模型，并將進行實際測試。

END

洛克達因公司在二十多年來一直致力于將3D打印技術(shù)整合到其火箭發(fā)動機、導彈和戰(zhàn)術(shù)防御系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中。公司的增材制造團隊使用GE旗下Concept Laser以及EOS和Velo3D的裝備來滿足3D打印制造需求。洛克達因高級項目經(jīng)理在2020年就表示，公司多年來不斷加深對3D打印材料、工藝及設(shè)計的理解，掌握不同系統(tǒng)組件使用溫度范圍（-254~3316℃）內(nèi)的材料特點，彼時已開發(fā)了至少11種合金；其他還包括如何依賴設(shè)計實現(xiàn)組件整體、一體化制造，從中節(jié)省成本、加速設(shè)計迭代。