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3D打印發(fā)動機關鍵零部件護航“神舟問天”

發(fā)布日期：2023-6-20 來源:西安航天基地

5月30日9時31分，長征二號F遙十六運載火箭托舉著載有景海鵬、朱楊柱、桂海潮3名航天員的神舟十六號載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射。這是航天科技集團六院（以下簡稱“航天六院”）研制的全系列動力，第11次全程護航中國航天員筑夢蒼穹。

航天六院西安航天發(fā)動機有限公司將3D打印*新技術(shù)應用于航天發(fā)動機零部件制造，推進航天液體發(fā)動機研制、生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級。此次神舟十六號載人飛船上，由該公司研制的發(fā)動機隔板夾層內(nèi)流通道的關鍵構(gòu)件—“加強肋”就是3D打印出來的，為“神舟問天”提供了強有力的動力支撐。

58臺發(fā)動機齊上陣

護航神舟十六號飛行乘組入駐“天宮”

總部位于航天基地的航天六院是我國*集運載火箭主動力系統(tǒng)、軌姿控動力系統(tǒng)及空間飛行器推進系統(tǒng)研究、設計、生產(chǎn)、試驗為一體的專業(yè)研究院。

在此次載人航天工程任務中，航天六院承擔著長征二號F運載火箭與神舟十六號飛船上的各種主推進及姿軌控發(fā)動機、熱控分系統(tǒng)及生命保障系統(tǒng)泵閥等的研制任務。其中，為長征二號F運載火箭配套10臺發(fā)動機，為神舟十六號飛船配套推進艙、返回艙兩套推進子系統(tǒng)共48臺發(fā)動機，58臺發(fā)動機護航神舟十六號飛行乘組入駐“天宮”。

長征二號F運載火箭是目前我國*一型載人運載火箭，為載人航天工程任務提供了“航天員專屬列車”。而發(fā)動機是火箭的“心臟”，“心臟”的動能越大、力量越足，就能帶領重型火箭去更高軌道的太空探索。

“火箭發(fā)動機需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、大推力、強振動的惡劣環(huán)境下運行，只要有一個零件出現(xiàn)故障，往往導致災難性事故。因此，確保產(chǎn)品萬無一失，穩(wěn)妥可靠，是火箭發(fā)動機研制的鐵律。”航天六院西安航天發(fā)動機有限公司增材制造創(chuàng)新中心副主任彭東劍表示，西安航天發(fā)動機有限公司生產(chǎn)制造了該火箭所用芯一級發(fā)動機、二級發(fā)動機、助推器發(fā)動機，并采用3D打印技術(shù)制造相關零件，實現(xiàn)了發(fā)動機更可靠，效率速度雙提升。

上百臺3D打印設備投入運行

航天液體動力制造技術(shù)升級換代

隨著航天強國建設進入加速推進的關鍵時期，未來宇航發(fā)射任務大幅增加，航天液體動力面臨更加繁難艱巨的型號交付任務和科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。

“現(xiàn)有傳統(tǒng)制造方式下生產(chǎn)周期長、材料利用率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、不可檢不可測、合格率低等‘痛點’和‘堵點’還未完全解決；新型號研制過程中還采用‘設計—制造—試驗’大閉環(huán)研制模式，設計迭代速度無法滿足液體動力產(chǎn)品的快速研制�！迸頄|劍認為，亟需充分利用增材制造技術(shù)優(yōu)勢，補齊當前型號生產(chǎn)能力短板。

增材制造又稱3D打印，是以金屬粉末、金屬絲為原材料，通過逐層打印、堆積成型的方式實現(xiàn)構(gòu)件一體化成型的制造技術(shù)，目前已被廣泛應用于工業(yè)領域。彭東劍介紹，航天發(fā)動機需要大量采用高溫合金、鈦合金等難加工材料，設計結(jié)構(gòu)復雜、工藝流程長，其輕量化、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點高度契合。

由此，西安航天發(fā)動機有限公司非常重視金屬增材制造技術(shù)研究，曾與西北工業(yè)大學和華中科技大學組建創(chuàng)新聯(lián)合實驗室，于2017年正式成立增材制造創(chuàng)新中心。為了將3D打印廣泛應用于一線生產(chǎn)，該公司于2021年籌資建設增材制造產(chǎn)業(yè)化、研發(fā)雙中心，總面積達9000平方米，引進了100多臺增材制造設備，形成了7大功能分區(qū)的智慧型工業(yè)布局。

走進西安航天發(fā)動機有限公司增材制造創(chuàng)新中心，高大寬敞的廠房內(nèi)，100多臺大小不等的增材制造設備有序排放。在設備的成形倉內(nèi)，靈活移動的激光束噴射著灼灼白焰，將金屬粉末不斷地熔化、粘接、冷卻，層層堆積，一個個結(jié)構(gòu)復雜的金屬零部件被“打印”出來。

神舟十六號載人飛船上的“加強肋”是發(fā)動機隔板夾層內(nèi)流通道的關鍵構(gòu)件，主要用于保證發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性。彭東劍表示，“加強肋”是西安航天發(fā)動機有限公司增材制造創(chuàng)新中心自主研發(fā)的產(chǎn)品，“之前，產(chǎn)品采用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)，有29個工藝流程，配套設備多且依賴性強，合格率不足20%。通過3D打印技術(shù)替代熔模精密鑄造工藝，‘加強肋’的制造周期縮短了75%，合格率提升至98%，成本降低了30%，且產(chǎn)品多項性能指標接近甚至超過傳統(tǒng)鑄件歷史*高值�！�

3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)局限，重點解決航天液體動力研制中的零部組件研制問題，產(chǎn)品合格率、制造流程和可靠性等顯著提升，實現(xiàn)了航天液體動力制造技術(shù)的升級換代。彭東劍透露，預計該中心今年交付成品將超1萬件，零部件廣泛應用到航天發(fā)動機領域。

增材制造工程化應用全國*

打造“黑燈工廠”及云制造平臺

增材制造作為“深入實施制造強國戰(zhàn)略”的主攻方向，加快建設質(zhì)量強國、航天強國、數(shù)字中國的重要手段，已成為我國制造業(yè)領域的亮麗“名片”，對推動我國制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展，促進實體經(jīng)濟和數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量融合，提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈韌性和安全水平起到了巨大作用。

近年來，以西安航天發(fā)動機有限公司為代表的一批西安增材制造企業(yè)，正在成為*產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“領頭雁”。彭東劍表示，目前，在中國增材制造工程化應用方面，西安航天發(fā)動機有限公司增材制造創(chuàng)新中心位列*。

增材制造創(chuàng)新中心現(xiàn)具備鈦合金、高溫合金、航天專用高強不銹鋼等5類合金29種牌號材料的增材制造能力；突破了多孔點陣結(jié)構(gòu)設計與制造、微細結(jié)構(gòu)精密增材制造、激光熔化沉積高性能修復等20余項關鍵技術(shù)，建立了從設計、材料、成型、后處理到檢測評價的全流程技術(shù)體系。此外，在技術(shù)研究及工程化應用推進過程中，實現(xiàn)了復雜三元閉式葉輪、噴注器、復雜殼體等50多型發(fā)動機上600余種產(chǎn)品的增材制造。這些技術(shù)廣泛應用于載人航天、火星探測、北斗導航等80余次宇航發(fā)射和飛行試驗任務。

西安航天發(fā)動機有限公司錨定增材制造智能化、數(shù)字化、精益化的發(fā)展目標，正在全力建設30000平方米的產(chǎn)業(yè)化基地。計劃在2025年建成基于數(shù)字化成型、智能監(jiān)控、智能物流技術(shù)的智慧化增材制造“黑燈工廠”，配套增材制造裝備300臺。同時，依托技術(shù)和資源優(yōu)勢，吸收社會優(yōu)質(zhì)增材制造生產(chǎn)資源，建成安全可信、協(xié)同高效的增材制造云端平臺，*西安增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為建設航天強國作出更大貢獻。

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