Применение аддитивных технологий для производства камер сгорания ракетных двигателей

 Введение

 

В последнее время все больше стран выходят на рынок пусковых услуг (Индия, Китай). Более  того, в конкурентную борьбу вступают частные компании, такие как SpaceX, Orbital Sciences Corporation, Blue Origin, Rocket Lab и FireFly. В этой борьбе побеждают те компании, которые предлагают минимальную стоимость вывода за 1 кг полезного груза при требуемой надежности. Стоимость выведения полезного груза напрямую зависит от инновационного качества проектирования, и, как следствие, от совершенства технологии производства наиболее дорогостоящих узлов.

Как известно, самой дорогой частью ракеты-носителя (РН) являются ее двигатели. Их цена достигает 40% стоимости РН [1]. Одним из наиболее сложных элементов ракетного двигателя в производстве является регенеративно охлаждаемая камера сгорания (КС). Сложность ее изготовления обусловлена необходимостью выполнения тонкостенных оболочек со спиральными ребрами и последующим формированием внешней стенки, что представляет собой сложный технологический процесс.

На данный момент существует несколько наиболее распространенных технологий изготовления КС. На территории стран СНГ наибольшее распространение получили КС с фрезерованными каналами охлаждения и паяной внешней стенкой [2].

Данный технологический процесс представляет собой следующую цепочку: с помощью ротационной вытяжки либо методом штамповки формируется необходимая геометрия сегментов камеры с припусками под дальнейшую механическую обработку.

Далее выполняется фрезерование спиральных каналов и последующая пайка внешнего гладкостенного кожуха во вращающейся вакуумной печи [3]. После чего все сегменты камеры поэтапно собираются и свариваются в среде инертных газов в единый узел.

На территории Соединенных Штатов Америки большое распространение получили трубчатые КС (F1, J2), где каналы КС представлены в виде спаянных вместе трубок с изменяемой геометрией и камеры с наружной стенкой выполненной гальваническим методом [4].

Все перечисленные выше методы обладают рядом недостатков. В первую очередь надо отметить необходимость большого количества специального оборудования и оснастки, сложность отработки технологии, высокую вероятность брака, обусловленную огромным количеством технологических операций и, как следствие, дороговизну изготовления.

В последнее время, в машиностроении начал активно развиваться и внедряться целый ряд технологий аддитивного производства как альтернатива традиционным подходам.

В статье рассматриваются особенности применения одной из таких технологий для производства регенеративно охлаждаемых КС ракетных двигателей – технологию селективного лазерного плавления порошков металлов (SLM). Для решения этой задачи была спроектирована конструкция, и изготовлена камера ракетного двигателя тягой 350 кг, было проведено ряд огневых испытаний, выполнена дефектация и металлографический анализ структуры материала изделия [5].

 В

 Описание конструкции камеры

Разработанная и изготовленная конструкция представляет собой регенеративно охлаждаемую камеру сгорания со спиральными рёбрами, имею щими угол наклона к продольной оси 74о. В качестве материала для изготовления камеры была выбрана жаропрочная сталь Inconel 718 (аналог отечественному ХН60МВТЮ). На рис. 2 представлена 3Д модель разработанной камеры.

 

Суть метода селективного лазерного плавления металла (SLM)

 

SLM является инновационной технологией производства сложных изделий посредством лазерного плавления металлического порошка по 3Д моделям, сделанным в CAD системах. На рис. 1 представлена принципиальная схема работы 3Д принтера. Процесс плавления в таком оборудовании генерирует детали сложной геометрии слой за слоем, используя 3D модели в качестве исходной информации. Толщина слоя лежит в пределах от 15 до 150 мкм в зависимости от используемого материала [6].

Рис. 1. Принципиальная схема работы 3Д принтера 

Для плавления метала в виде порошка, используют иттербиевые (ytterbium) волоконные лазера мощностью от 200 до 1000 Вт, излучение которых с помощью зеркал на быстродействующем приводе фокусирует в необходимое место формирования контура детали [7].

Каждый последующий слой получают методом опускания платформы с изготавливаемой деталью на величину равную высоте слоя. После этого с подающего бункера приводным лезвием наносится слой нового порошка.

Весь цикл повторяется до момента полного формирования детали по всей высоте.

В случае использования технологии 3Д печати можно получать детали довольно сложной геометрии при сохранении механических свойств материала. Как видно из таблицы 1, механические свойства образцов, изготовленных по технологии 3Д печати, не уступают образцам, изготовленных литьем. Более того, в некоторых случаях даже превосходят их [8].

 

 Описание конструкции камеры

Разработанная и изготовленная конструкция представляет собой регенеративно охлаждаемую камеру сгорания со спиральными рёбрами, имею щими угол наклона к продольной оси 74о. В качестве материала для изготовления камеры была выбрана жаропрочная сталь Inconel 718 (аналог отечественному ХН60МВТЮ). На рис. 2 представлена 3Д модель разработанной камеры.

 

Рис. 2. Разработанная камера ракетного двигателя

 

На рис. 3 представлены детали, которые были изготовлены методом 3Д печати и общая схема сборки камеры. Внешняя стенка на деталях 1 и 3 показана полупрозрачной. Сборка двигателя осуществляется сваркой в такой последовательности:

1. Свариваются детали 5 и 6.

2. После закладки катализатора, выполняется внутренний сварной шов между образовавшейся подсборкой из деталей 5-6 и деталью 3.

3. Тракт охлаждения закрывается полукольцами 4 и выполняются внешние сварные швы.

4. Выполняется сварной шов сборки форсуночной головки и камеры сгорания.

5. Тракт охлаждения закрывается полукольцами 2 с последующим выполнением внешних сварных швов.

 

Рис. 3. Схема сборки камеры:

1 – камера сгорания; 2, 4 – соединительные полукольца; 3 – форсуночная головка с камерой разложения; 5 – распределительная решётка; 6 – крышка

Таблица 1

Механические характеристики материала

Принимая во внимание существенную сложность, высокую трудоемкость и дороговизну традиционных способов производства регенеративноохлаждаемых камер ракетного двигателя, было принято решение отработать технологию и изготавливать камеру аддитивным способом, оставив припуски под механическую обработку сопрягаемых поверхностей и сварных швов. Внутренняя поверхность камеры сгорания после печати доводилась до требуемой чистоты методом шлифовки.

Результаты

В результате была получена опытная конструкция камеры ракетного двигателя, которая прошла ряд успешных огневых испытаний на различных режимах. После испытаний была проведена дефектация узла и выполнен металлографический анализ. На рис. 4 показан поперечный разрез камеры, прошедшей огневые испытания. Нумерация деталей соответствует нумерации на рис. 3.

 

Рис. 4. Разрез камеры двигателя после прохождения огневых испытаний

Также, был выполнен сравнительный металлографический анализ материала с целью убедиться  в качестве деталей, изготавливаемых методом 3Д печати. На рис. 5 представлены результаты металлографии образцов, изготовленных прокатным способом и методом 3Д печати.

Рис. 5. Металлография образцов:

А – образец материала Inconel 718, полученный методом прокатки; Б – фрагмент камеры двигателя после огневых испытаний

Как видно из рис. 5, в образце, изготовленном по методу 3Д печати, присутствуют микропоры.

Был проведён анализ пористости материала изготовленного двигателя по зависимости:

Где pv – фактическая плотность материала, определённая как фактическая масса образца к фактической плотности.

pt – справочная плотность материала.    

Величина пористости материала составила от 1 до 3%. Необходимо заметить, что данная степень пористости не оказала заметного влияния на механические свойства материала. Также по результатам проведения огневых испытаний было установлено, что влияние высокотемпературных продуктов сгорания не привело к вскрытию поверхностных микропор.

В таблице 2 представлены трудозатраты на производство близких по своим габаритам КС традиционным способом и методом 3Д печати.

Таблица 2

Таблица сравнения технологий изготовления камер сгорания

[:en]tab[:]

Выводы

 

В результате работ была получена работоспособная конструкция камеры двигателя тягой 350 кг, изготовленная из материала Inconel 718 методом селективного лазерного спекания метала. Данная камера прошла ряд огневых испытаний, что позволило сделать следующие выводы:

1. Аддитивные технологии являются перспективными для изготовления КС ракетных двигателей.

Применение технологии ограничивается только габаритами рабочей области существующих 3Д принтеров.

2. Аддитивные технологии позволяют существенно сократить цикл изготовления опытных конструкций и объем необходимой конструкторской документации.

3. Для производства КС таким способом необходимо значительно меньшее количество оборудования и технологических приспособлений, что позволяет существенно сократить время производства, увеличить гибкость производства и значительно снизить стоимость изделий в целом.

4. Внесение изменений в конструкцию, что имеет место в ходе разработки, не приводит к необходимости переоснащения производства.

5. Появляется возможность отказаться от сложных технологических процессов выполнения тракта охлаждения.

Авторы – М. В. АНДРИЕВСКИЙ1, Ю. А. МИТИКОВ, С. В. АДЖАМСКИЙ, Д. А. ШАМРОВСКИЙ

Литература

 

1. Дегтярев, А. В. Ракета космического назначения сверхмалого класса [Текст] / А. В. Дегтярев, А. П. Кушнарев, Д. А. Попов // Космическая техника. Ракетное вооружение. – Днепр, Украина, 2014. – № 1. – С. 14 – 20.

2. Синярев, Г. Б. Жидкостные ракетные двигатели: теория и проектирование [Текст] / Г. Б. Синярев, М. В. Добровольский. – М. : Оборонная Промышленность, 1957. – 588 с.

3. Воробей, В. В. Технология производства жидкостных ракетных двигателей [Текст] / В. В. Воробей, В. Е. Логинов. – М. : Изд-во МАИ, 2001. – 496 c.

4. Huzel, D. K. Design of Liquid Propellant Rocket Engines [Text] / D. K. Huzel, D. H. Huang. –

Huston : National Aerospace And Space Administration,1967. – 461 p.

5. Excell, Jon. The rise of additive manufacturing [Electronic resource] / Jon Excell, Nathan Stuart. – Access mode: http://www.theengineer.co.uk/in-depth/the-big-story/the-rise-of-additive-manufacturing/1002560.article. – 15.07.2017.

6. ConceptLaser a GE Additive company [Electronicresource]. – Access mode: https://www.conceptlaser.de/en/technology.html. – 15.07.2017.

7. Williams, C. B. Towards the design of a layerbasedadditive manufacturing process for the realization of metal parts of designed mesostructured [Text] / C. B. Williams, F. Mistree, D. W. Rosen // Proc. 16th Solid Free. Fabr. Symp. 2005. – P. 217–230.

8. Lewandowski, J. J. Metal Additive Manufacturing: A Review of Mechanical Properties [Text] / J. J. Lewandowski, M. Seifi // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46. – P. 11–14.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *