搭载3D打印雷霆-5火箭发动机,深蓝航天“星云M”试验箭成功完成公里级垂直起降飞行试验 

3D打印应用 /[航天]
2022-05-09 10:03
江苏深蓝航天有限公司(以下简称“深蓝航天”)成立于2016年, 是一家聚焦在液体回收复用运载火箭方向,并提供商业发射服务的商业航天高新企业。
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据资源库了解,这家对标SpaceX的中国初创公司在今年1月完成了近2亿元的近A轮融资,仅过去3个月的时间再次完成A+轮融资。相信SpaceX得到资本的肯定,也是可回收复用火箭技术具有巨大的商业价值的体现。


2022年5月6日,深蓝航天自主研发的“星云-M”1号试验箭完成了1公里级垂直起飞及降落(VTVL)飞行试验,火箭在爬升和下落的过程中同时进行了横向移动,最后降落至着陆场“靶心”位置不足0.5米的点位,“星云-M”试验箭成功回收。
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“星云-M”公里级VTVL垂直回收飞行试验

此次执行公里级试验所使用的箭体依然是“星云-M”1号试验箭,已经执行3次飞行任务、7次地面静态点火,真正做到了液体运载火箭的可回收复用;其所配备的“雷霆-5”发动机,是国内首型使用3D打印技术实现整机制造的针栓式液氧煤油发动机。
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“雷霆-5”发动机3D打印零件

据了解,这款“雷霆-5”(下文简称:LT-5)液氧煤油发动机由深蓝航天自主研发,真空推力为50KN,并可实现50%-100%推力调节。同时,LT-5采用了电动泵调节推进剂流量,针栓式喷注器可自动维持不同工况下的稳定燃烧。

其次LT-5发动机采用了针栓喷注技术,针栓喷注式发动机在结构设计、加工制造方面具有较大难度,但其燃烧稳定性较好,不易出现燃烧震荡,同时可以实现平滑的推力调节,非常适合液氧煤油发动机的技术路线。

LT-5发动机采用了大量的3D打印结构,用来减少火箭发动机的零部件数量以及减轻供应商方面的压力。LT-5发动机全机85%重量的零件都由3D打印技术制作,使用镍基高温合金粉末材料,是目前国内使用3D打印零件最多的液体燃料火箭发动机。
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“雷霆-5”发动机后处理加工过程

其中收扩段、喷注器壳体,氧入口等关键部件通过在打印过程中严格控制工艺,保证零件外形尺寸、内流道精度及降低粗糙度;且3D打印毛坯件仅需后期少量机械加工就可以满足装配精度要求和使用要求,零部件加工周期大幅缩减的同时,大大缩短了产品重复制造周期和迭代速度,摒弃了传统火箭发动机制造的重资产模式,产品供应链更短、更高效、更易协同,总成本更低。

据深蓝航天透露,此前采用3D打印零件的LT-5发动机已经完成了两次飞行回收试验以及数十次地面试车,产品性能可靠。同一台发动机的累计工作次数超过10次、累计工作时间超过500s,每次均为大范围变工况工作状态。
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搭载“雷霆-5”液氧煤油发动机的“星云-M”火箭

深蓝航天创始人霍亮表示,3D打印或其他增材制造技术能使整个火箭发动机的生产流程缩短,并降低成本。同时,随着增材制造相关产业的发展,其生产出的零件质量、性能将会更优。

2021年7月-10月,“星云-M”试验箭先后完成了十米级、百米级VTVL垂直回收飞行试验,实现了国内液氧煤油火箭两次零的突破。本次公里级VTVL垂直回收飞行试验,标志着深蓝航天仅用10个月,3次发射试验就达到2012-2013年SpaceX用一年多的时间8次的发射试验达到的同等级试验成果。同时,深蓝航天成为了继SpaceX之后的全球第二家完成液氧煤油火箭垂直回收复用全部低空工程试验的公司。

“星云-M”公里级VTVL垂直回收飞行试验具有四大技术亮点:

飞行试验成本大幅降低

在实现全箭垂直回收的前提下,再次执行飞行任务的成本仅为箭体生产制造成本的约1%,其中包括一些损耗件的更换、全箭的测试维护费用、推进剂费用等;

单次点火工作时间更长

相比百米级试验,公里级的VTVL垂直回收飞行试验,发动机的单次点火工作时间有了大幅跨越,与入轨火箭单级发动机的工作时间更接近。与地面试车状态不同,此次在真实飞行环境中考核发动机大范围变推和长程工作的稳定性,在工程研制中更具有真实性和实际考核意义;

横向制导算法的应用

此次公里级试验,在垂直起飞——垂直着陆的飞行过程中,加入横向制导算法,预先装订目标点坐标,通过箭上计算机进行计算和规划,发出横向制导指令,导引火箭向目标坐标进行横移,开展火箭异地返场回收技术验证,为之后入轨火箭的异地返场回收复用、洲际旅行等进行先期技术验证;

公里级VTVL垂直回收飞行试验 多项系数实现突破

此次公里级VTVL垂直回收飞行试验中,飞行速度达到0.2Ma,飞行高度达到1公里,这是目前国内开展的飞行高度最高,飞行速度最快,飞行时间最长的垂直回收飞行试验。

通过此次飞行试验,进一步验证了火箭垂直回收过程中的箭体空气动力学问题、以及长时间的力热及振动环境适应性、发动机长时间和大范围的变推工作能力、可重复使用箭体结构及着陆缓冲装置、横向制导及姿态控制能力等关键核心技术,为后续开展10公里级垂直回收和入轨级回收打下了坚实基础。

深蓝航天表示,下一阶段将采用与入轨火箭完全相同的全尺寸试验火箭,继续进行高空回收试验阶段,向着10km、100km的高度快速突破迈进,最终实现入轨火箭一子级的可控回收和重复使用。
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