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航天六院丨融合增材制造技术的液体火箭发动机创新设计方法与应用

增材制造技术在液体火箭发动机中应用的广度和深度不断增强。在发动机的设计层面，经历了由最初的“原位制造替代”到中间的“制造驱动设计”，再到“设计引领制造”3个设计理念阶段的变革。对融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法和准则进行了总结，包括结构优化设计技术、结构与功能一体化设计技术、复杂组件集成技术和基于增材制造工艺约束与材料性能的设计技术。以常平环和换热器等在发动机增材制造中应用很广泛的典型承载和热力组件为例，介绍了融合增材制造后产品的具体创新设计思路。对融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法和发展方向进行了总结与讨论。

研究背景

航天液体动力是航天器的心脏，也是航天事业的基石，其发展水平决定了航天活动的规模和范围，支撑了国家进出、利用和控制空间的能力。我国液体火箭发动机技术历经多年发展，积累了丰富的研制经验，形成了以N2O4/偏二甲肼、液氢/液氧以及液氧/煤油等为推进剂的多种型号并存共用的研制现状。在新的历史阶段,为了实现“高可靠、高性能、低成本、短周期”的目标，液体火箭发动机研制面临更大挑战,主要表现在: 工作过程更加复杂(非线性、强耦合、跨多学科领域等)、力学环境更加恶劣(高温、高压、大温度梯度、高转速、能量毫秒级释放等)、轻质化和可靠性要求更高(功率密度最高的热力机械,推质比相比其他动力机械大幅提高，故障模式多且爆发迅速,难以进行容错性设计和实时故障诊断、维护)等。

增材制造技术的出现，改变了液体动力的传统研制模式，为传统的液体动力结构设计方式带来了巨大变革，并牵引了数字化设计技术的发展。一方面,增材制造的技术特点不仅契合发动机的研制需求,还能融合设计与制造，极大释放设计人员的自由度。另一方面,提升发动机的设计水平，通过新方案、新材料以及新工艺等带动，也将引领和驱动增材制造技术的发展。

增材制造高度契合先进液体火箭发动机的发展方向，主要体现在5个层面:

①高可靠性。通过集成一体化制造，减少了零部件、焊缝、密封与紧固连接等的数量，提高可靠性。

②低成本批量化。如针对某些复杂拓扑形状和工序繁多的结构(涡轮泵壳体、涡轮叶片等)，增材制造无需经过传统制造中的模具压制、型芯装配、精密铸造等工艺流程和多套工装模具，减少了多制造环节制备带来的产品不一致现象，通过直接近/净成型，减少用料成本,实现了低成本轻量化。

③快速研制。通过数字化制造，快速响应，进行快速优化迭代设计，减少时间成本。

④轻质化。通过拓扑优化、集成制造等方式，减少了连接和冗余结构的质量，提高结构效率。

⑤可重复使用。通过零部件修复和逆向设计功能,对多次飞行后的疲劳易损件(如涡轮叶片、推力室内壁、管路等)或破坏件进行快速的修复或更换，助力发动机的可重复使用。近年来，增材制造技术的发展给发动机的研制提供了创新思路，世界各航天大国纷纷在液体动力领域积极探索和应用增材制造技术。

近年来，世界各航天大国纷纷在液体动力领域积极探索和应用增材制造技术，关于增材制造技术应用方面的综述已经大量发表。然而，针对融合增材制造的发动机结构设计方法还鲜有总结。结构设计是发动机先进性能的基础，也决定着后续飞行任务的成败。本文综述了融合增材制造后液体火箭发动机的创新设计方法。首先简要论述了液体动力增材制造研制现状，包括制造技术比较和发展特征；其次总结了面向增材制造的发动机结构设计方法与准则；再次以常平环和换热器为对象，详细介绍了融合增材制造后发动机结构的研发设计和制造过程；最后分析了发展方向，以期为后续先进液体动力的研制提供参考。

创新点

1.全面综述融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法

总结了增材制造在液体火箭发动机的应用技术和发展特征，介绍了增材制造在液体火箭发动机的主要制造技术，比较了各种技术的优缺点。总结了融合增材制造的液体火箭发动机设计理念变革路径和发展特征。

图1 融合增材制造的液体火箭发动机设计理念变革路径

下图2以航天飞机主发动机RS25为例,比较PBF和DED技术在制造发动机推力室头部的差异。可以看出,虽然PBF技术制造精度更高,但是制造速度相比DED技术有所降低。DED技术的材料可以是粉末或金属丝,能量来源有3种:激光(高能光和光纤激光)、电子束和电弧。PBF技术只能加工粉末,能量来源主要是激光(以光纤激光为主)和电子束。激光是增材制造金属材料加工成型最主要的能量来源。

图2 PBF技术和DED技术制造RS25发动机推力室头部比较

2.总结了融合增材制造后液体火箭发动机的创新设计方法与准则

增材制造“逐层堆积”的制造方式可实现高度复杂结构的自由生长成形，极大地拓宽了设计空间，融合增材制造后的创新设计主要体现在结构优化设计、结构功能一体化设计、复杂组件集成与可靠性设计、基于增材制造工艺约束和材料性能的设计等方面。

图3 面向增材制造的发动机可靠性设计方法

图4 结构与功能一体化设计概念

图5 发动机再生冷却燃烧室集成设计

3.介绍了增材制造在液体火箭发动机中典型零部件中的设计案例

具体阐述融合增材制造的先进液体火箭发动机部件结构设计方案。对某常平环结构，通过载荷分析、拓扑优化、曲面光整、3D打印和试验验证，确定的新结构方案在满足强度要求的前提下实现了减重约50%的效果。对某换热器，增材制造突破了传统制造无法制备复杂曲面结构的难题，使该部件能够在有限体积下最大限度的利用散热面积进行热交换，大幅提高了换热效率。

图6 常平环拓扑优化过程

拓扑优化获得了减质50%的轻量化方案,考虑额定工况零位状态,常平环轻量化方案等效应力和位移云图如图7所示。

图7 常平环轻量化方案应力与位移分布

在额定工况状态，相对于常平环原始设计方案，优化方案虽然最大等效应力有所增加，但是仍小于材料的屈服强度。去除部分由于网格和尖角导致的应力集中区域后，整体结构应力分布相对均匀，材料利用率有效提高，轴向最大相对位移从0.7 mm增加至1.8 mm。结合强度分析结果，说明50%轻量化方案满足拓扑优化约束要求。然而,从应力分布可知，优化方案局部还存在尖点等光滑性差的结构，这也是产生应力极值的主要原因，后期可针对拓扑优化模型进行进一步的模型光滑性处理。

图8 3D打印模型与试件

图9 3D打印常平环试验校核

基于轻质多孔结构设计的换热器是发动机中应用增材制造技术相比传统方案优势明显的对流换热功能部件。某发动机从涡轮出口管引出高温、高压富氧燃气用于驱动氧预压涡轮泵，同时，从该管路取热为推进器贮箱增压。因此，需结合受限空间设计一款氦气/燃气换热器。受总体结构空间布局限制，氦换热器需满足热功率高、体积小等特点。图10为氦换热器的结构示意图，经评估氦换热器热功率650 kW、紧凑度达135 m2/m3，换热和体积均满足设计要求，且内部结构均采用免支撑、易清粉设计。

图10 换热器结构示意图

总结与展望

增材制造为液体火箭发动机的传统设计方法体系带来重大变革。本文对融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与原则进行了研究和总结,并以常平环和换热器等部件为例，具体阐述了增材制造技术如何为发动机零部件的研制带来突破性变革。对某发动机常平环结构，通过载荷分析、拓扑优化、曲面光整、3D打印和试验验证，确定了新的结构方案，在满足强度要求的前提下实现了减质约50%的效果。对某发动机换热器,增材制造突破了传统制造无法制备复杂曲面结构的难题，使该部件能够在有限体积下最大限度地利用散热面积进行热交换，大幅提高了换热效率。两种结构部件进一步通过热试车验证和现场评估，证明了新设计方案在发动机实际工程应用中的适用性。

基于发动机增材制造技术研制现状和需求，为进一步提高其性能，在结构设计方面，还需要在下列方向重点突破：

1)针对基于增材制造的结构优化设计，目前在宏观实体结构优化方面已经比较成熟，但是，面向宏观实体、多胞元或多级多孔结构结合的多层级结构优化方面还存在不足。一是多孔结构的快速分析方法，需要综合考虑计算速度、计算效率和准确性等因素; 二是缺乏一个全面的多孔结构性能数据库，数据应包含多孔结构的制备材料性能、单胞结构设计参数、胞元构型及对应的刚度、强度、能量吸收量、固有频率、疲劳、断裂韧性等静动态力学性能，以便于能够快速选择相应的多孔结构进行优化设计。

2)针对结构功能一体化设计，发动机目前主要的结构设计和优化仍然以承载功能为主，多功能耦合设计和协同优化由于缺乏相应的设计分析软件和设计规范标准等，难以开展。结构功能一体化设计可以和复杂组件集成设计一起进行，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的设计思想体系，从而实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成，燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合，以及热、力、声等多物理场优化。同时,一体化设计还能实现刚度、质量、模态等动静性能协调匹配。可先在小推力或姿轨控发动机等小载荷环境下试行开展，形成一定的设计方法和准则，然后拓展至大推力发动机。

3)针对增材制造工艺约束和材料性能的设计，由于增材制造目前在制造技术和工艺体系方面尚不成熟，因此虽然相比传统工艺避免了多个设计自由度,然而却不可避免地引入了新的设计约束(如尺寸、悬空角度、连通性、表面粗糙度等)，约束也会随着技术的发展不断变化。因此，相关的约束规范也需要不断改进。针对基础材料性能,同样因为体系不成熟，导致同材料牌号下不同的制造方法带来的性能不一致现象，尤其是疲劳性能带来的可靠性设计问题，对重复使用发动机的研制造成很大的困扰。因此，首先要不断通过新技术或工艺的研究提高材料性能，减少设计约束; 其次尽快根据不同的部组件功能需求形成完备的技术工艺规范; 最后，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构的设计体系提供支撑。

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