央視紀錄頻道首談天問一號,3D打印曾發揮重要作用

4月24日是中國航天日,在本月央視CCTV 9播出的一檔記錄節目——《下一站,火星》中,節目在人類探索外太空歷史的大視野下,以"天問一號”的飛行歷程為線索,梳理出中國首次火星探測任務的緣起、研制歷程及目標,涉及多個重要器件的研制過程。在天問一號的研制過程中,金屬3D打印技術發揮過重要作用。
4月24日是中國航天日,在本月央視CCTV 9播出的一檔記錄節目——《下一站,火星》中,節目在人類探索外太空歷史的大視野下,以"天問一號”的飛行歷程為線索,梳理出中國首次火星探測任務的緣起、研制歷程及目標,涉及多個重要器件的研制過程。


根據此前中國航天科技集團官方的消息,航天五院開發的3D打印自支撐晶格結構在天問一號探測器及祝融號火星車上成功應用;航天科技集團六院則將3D打印技術用于7500N變推力發動機最終相關零件的制造。除此之外,業內知名的服務商也曾對外公布參與了“天問一號”研制。


火星著陸的七八分鐘,要經歷高速進入火星、大氣高溫灼燒、超音速開傘、懸停避障等等一系列復雜動作。為了保證著陸安全,中國各地的航天工程師齊心合力,協同共建。其中西安的團隊(航天六院負責著陸器的剎車裝置——變推力發動機。


當天問一號下降到距離火星100km的高度,環繞器和著陸器分離。為使著陸巡視器降低運行速度達到著陸要求,作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機發揮關鍵作用,為著陸巡視器動力減速、懸停避障和緩速下降等軟著陸任務提供軌控推力。


這種發動機在探月工程中曾多次使用,嫦娥三號、四號、五號落月的最后階段,都是靠這種發動機反推實現減速和懸停的。但僅僅幾年過去,發動機的樣子已經完全不同。探月工程使用的變推力發動機高達1.4米,但火星著陸器布局受限,給變推力發動機留的空間只有半米多,必須縮小身形,但技術指標卻不能降低。雖然基本原理一樣,但改進工作與研制一臺新的發動機幾乎沒有區別。從總裝布局到系統參數都要大幅改變,從理論驗證到反復試車,每一個流程都必不可少。探月的發動機研制了八年,而天問一號的這個發動機包括驗證到交付使用了僅四年。


探月工程和天問一號7500N變推力發動機對比


探月工程和天問一號7500N變推力發動機對比


制造過程中,改進型7500N變推力發動機與以往7500N發動機的性能和推力一樣,但重量和體積只有以前發動機的三分之一,結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次采用3D打印技術,“一次打印成型”避免大余量去除原實心棒材或鍛件引起的變形,也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。


在3D打印技術參考最新的航空航天案例介紹中,NASA和Aerojet Rocketdyne的研究人員明確表示,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性能。實際上,這項價值幾乎被所有的航空航天制造商所認可。下一站,火星》欄目在對7500N發動機的介紹中上不可能提及一項制造技術,但研制人員卻明確標表示,與過去探月工程的發動機相比,研制時間足足縮短了4年,這無不讓我們遐想是否有更多器件使用了3D打印,即使并未用來制造最終零件,但是否有可能用來進行原型制造,來加快設計迭代呢?


天問一號火星探測器標注圖(來自微博網友WLR2678


在3D打印技術參考對中國民營航天的代表——深藍航天和星河動力的專訪中,雙方都將3D打印技術應用到了相關產品的研發和制造中。深藍航天雷霆-5液氧煤油發動機從方案設計到整機試車僅僅用時8個月,3D打印技術的應用加速了設計-制造-設計的迭代;星河動力則在“邊界”系列軌姿控動力系統設計之初就將3D打印方案納入考慮,3D打印使產品實現了輕量化、個性化、一體化、復雜化的總體性能提升。


更短的研制時間,更小的體積和重量,維持不變的性能和推力,天問一號的7500N變推力發動機在研制過程中是否更多的使用過3D打印技術,勢必要等待以后解密。目前已公開的相關研究中,其推進劑貯箱采用了7055高強鋁合金通過攪拌摩擦焊工藝制造,該工藝近些年來也被發展成了一種增材制造技術。


終歸,在天問一號的研制過程中,金屬3D打印技術確實發揮過重要作用。


本文章轉載于公眾號 3D打印技術參考

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