进入21世纪以后,火箭引擎的改进重点从以往的performance-driven改为cost-driven。以RS-68为代表的新一代引擎在制造工艺上较上一代引擎(如RS-25D)有大幅改进,特点是用整体加工工艺取代原来的传统焊接,大幅减少部件数量和生产工时。RS-68的燃烧室外壁、内胆和喉部支撑使用热等静压结合(HIP bond),喷管使用通道壁取代原来的冷却导管,这两项工艺也被用来制造SLS项目的候选助推器用F-1B和芯级用RS-25e。
下图为Dynetics和PWR联合竞标SLS助推器的F-1B方案,继承了F-1的整体设计,阀门和喷注器,F-1A的涡轮泵和RS-68使用过的HIP bonding和channel wall。这一方案目前是ATK最有力的竞争对手。
MHI也引进了PWR的HIP bonding和channel wall用来制造新一代LE-X引擎。
由于LE-X采用开始膨胀循环,燃烧室的热交换效率对于提高燃料泵功率至关重要,LE-X的燃烧室长度超过了现有火箭引擎,MHI采用旋压成型(flow forming)技术来“拉长”燃烧室。
下图则展示了如何从一个标准OMC(Okegawa mold copper)铜棒通过挤压和旋转成型制成一个燃烧室下部喷口。
铜棒通过两步挤压后变成了铜盘,中心仍能看到原来铜棒的形状。
铜盘经弯曲和旋转成型制成喷口内胆。
喷口内胆上加工出channel wall。
然后内胆和外壳通过HIP bonding整合在一起。
下图展示了蚀刻有冷却通道的燃烧室内胆和外壳使用HIP bonding之前和之后的情形。
SpaceX使用爆破成型技术(explosive forming)生产Merlin 1D的燃烧室,整体制造可以避免类似Falcon 9-004任务中merlin 1c发生的燃烧室爆缸。遗憾的是还没有成品的照片流出,其加工过程如下图所示。
喷口同样使用了通道壁冷却取代Merlin 1c的冷却导管。下图近景蚀刻了通道的引擎喷管“内胆”,远景中可以看到多个等待整合的内胆和外壳。
PS:题外话,除了引擎外,Falcon 9v1.1的制造集中体现了新一代火箭制造技术,具体表现为1)大量使用货架商品,减少定制,降低成本;2)整体加工,尽量避免传统焊接,减少焊点和焊缝以增加可靠性,减少生产工时的同时降低成本。
Falcon 9v1.1的助推级和上面级采用单一直径简化工艺。储箱侧壁使用标准Al-li合金板通过搅拌摩擦焊拼接(下图可见打满补丁的箭体),储箱两端的顶盖则使用标准Al-li合金板经搅拌摩擦焊拼接后旋压成型,看不到传统的瓜瓣焊缝。采用共底结构缩短长度。
进入21世纪以后,火箭引擎的改进重点从以往的performance-driven改为cost-driven。以RS-68为代表的新一代引擎在制造工艺上较上一代引擎(如RS-25D)有大幅改进,特点是用整体加工工艺取代原来的传统焊接,大幅减少部件数量和生产工时。RS-68的燃烧室外壁、内胆和喉部支撑使用热等静压结合(HIP bond),喷管使用通道壁取代原来的冷却导管,这两项工艺也被用来制造SLS项目的候选助推器用F-1B和芯级用RS-25e。
下图为Dynetics和PWR联合竞标SLS助推器的F-1B方案,继承了F-1的整体设计,阀门和喷注器,F-1A的涡轮泵和RS-68使用过的HIP bonding和channel wall。这一方案目前是ATK最有力的竞争对手。
MHI也引进了PWR的HIP bonding和channel wall用来制造新一代LE-X引擎。
由于LE-X采用开始膨胀循环,燃烧室的热交换效率对于提高燃料泵功率至关重要,LE-X的燃烧室长度超过了现有火箭引擎,MHI采用旋压成型(flow forming)技术来“拉长”燃烧室。
下图则展示了如何从一个标准OMC(Okegawa mold copper)铜棒通过挤压和旋转成型制成一个燃烧室下部喷口。
铜棒通过两步挤压后变成了铜盘,中心仍能看到原来铜棒的形状。
铜盘经弯曲和旋转成型制成喷口内胆。
喷口内胆上加工出channel wall。
然后内胆和外壳通过HIP bonding整合在一起。
下图展示了蚀刻有冷却通道的燃烧室内胆和外壳使用HIP bonding之前和之后的情形。
SpaceX使用爆破成型技术(explosive forming)生产Merlin 1D的燃烧室,整体制造可以避免类似Falcon 9-004任务中merlin 1c发生的燃烧室爆缸。遗憾的是还没有成品的照片流出,其加工过程如下图所示。
喷口同样使用了通道壁冷却取代Merlin 1c的冷却导管。下图近景蚀刻了通道的引擎喷管“内胆”,远景中可以看到多个等待整合的内胆和外壳。
PS:题外话,除了引擎外,Falcon 9v1.1的制造集中体现了新一代火箭制造技术,具体表现为1)大量使用货架商品,减少定制,降低成本;2)整体加工,尽量避免传统焊接,减少焊点和焊缝以增加可靠性,减少生产工时的同时降低成本。
Falcon 9v1.1的助推级和上面级采用单一直径简化工艺。储箱侧壁使用标准Al-li合金板通过搅拌摩擦焊拼接(下图可见打满补丁的箭体),储箱两端的顶盖则使用标准Al-li合金板经搅拌摩擦焊拼接后旋压成型,看不到传统的瓜瓣焊缝。采用共底结构缩短长度。