融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用

增材制造技术的出现，对液体动力研制模式带来了新的发展空间。增材制造高度契合先进液体动力的发展方向，主要体现在五个层面：（1）高可靠性（2）低成本批量化（3）快速研制（4）轻质化（5）可重复使用（修复和逆向设计）。

近年来，世界各航天大国纷纷在液体动力领域积极探索和应用增材制造技术。《火箭推进》期刊发表的《 融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》一文综述了融合增材制造后液体火箭发动机的创新设计方法。首先论述了液体动力增材制造技术，然后总结了面向增材制造的发动机结构设计方法与准则，接着详细介绍了融合增材制造后典型结构的设计过程，最后分析了发展方向，以期为后续先进液体动力的研制提供参考。

▲论文链接：

http://hjtjnew.paperopen.com/upload/html/m/202304001.html

创新点

01

「全面综述融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法」

总结了增材制造在液体火箭发动机的应用技术和发展特征，介绍了增材制造在液体火箭发动机的主要制造技术，比较了各种技术的优缺点。总结了融合增材制造的液体火箭发动机设计理念变革路径和发展特征。

图1 融合增材制造的液体火箭发动机设计理念变革路径

02

「总结了融合增材制造后液体火箭发动机的创新设计方法与准则」

增材制造“逐层堆积”的制造方式可实现高度复杂结构的自由生长成形，极大地拓宽了设计空间，融合增材制造后的创新设计主要体现在结构优化设计、结构功能一体化设计、复杂组件集成与可靠性设计、基于增材制造工艺约束和材料性能的设计等方面。

图2 面向增材制造的发动机可靠性设计方法

03

「介绍了增材制造在液体火箭发动机中典型零部件中的设计案例」

具体阐述融合增材制造的先进液体火箭发动机部件结构设计方案。对某常平环结构，通过载荷分析、拓扑优化、曲面光整、3D打印和试验验证，确定的新结构方案在满足强度要求的前提下实现了减重约50%的效果。对某换热器，增材制造突破了传统制造无法制备复杂曲面结构的难题，使该部件能够在有限体积下最大限度的利用散热面积进行热交换，大幅提高了换热效率。

图3 常平环拓扑优化过程

总结与展望

基于发动机增材制造技术研制现状和需求，为进一步提高其性能，在结构设计方面，还需要在下列方向重点突破：

1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。

2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，一方面要不断通过新技术或工艺的研究提高材料性能，减少设计约束；一方面尽快根据不同的部组件功能需求形成完备的技术工艺规范。同时，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。

论文引用信息：

谭永华，赵剑，张武昆，等. 融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用[J]. 火箭推进，2023,49（4）：1-16.

TAN Yonghua, ZHAO Jian, ZHANG Wukun, et al. Innovative design method and application of liquid rocket engine integrated additive manufacturing[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2023,49（4）：1-16.

研究团队

谭永华（第一作者），中国运载火箭技术研究院博士生导师，西北工业大学、西安交通大学和重庆大学兼职教授。主要从事液体动力技术研究。获国家科技进步特等奖、一、二等奖各1项。发表著作2部，论文70余篇。

赵剑，工学博士，高级工程师。主要从事我国大推力液氧煤油发动机研究与设计工作，研究方向为发动机结构拓扑优化、数字化设计及融合增材制造的创新应用等。获陕西省杰出青年岗位能手、陕西省创新创效大赛一等奖等多项奖励，发表论文30余篇，授权发明专利10余项。

张武昆，西安航天动力研究所，博士生。主要从事液体火箭发动机轻量化结构设计方面的研究。

王珺，工学博士，西安航天动力研究所，研究员。主要从事液体火箭发动机力学环境等方面的研究。

高玉闪，工学博士，西安航天动力研究所，研究员。主要从事液体火箭发动机系统、数字化等方面的研究。

团队近期发表论文

[1] 谭永华,杜飞平,陈建华,等.液氧煤油高压补燃循环发动机深度变推力系统方案研究[J].推进技术, 2018, 39(6):9. (EI检索)

[2] 张武昆,谭永华,高玉闪,等.液体火箭发动机增材制造技术研究进展[J].推进技术.2022,43(5).(EI检索)

[3] Wukun Zhang, Jian Zhao, Yonghua Tan, et al. Study on the shear modulus based equivalent homogenization methods of multi-layer BCC lattice sandwich[J]. Materials,2022, 15(4): 1341.(SCI检索).

[4] 张武昆,谭永华,高玉闪,等.周期性轻质多孔结构在振动和能量吸收方面的研究进展[J].振动与冲击.2023,42(8):1-19.(EI检索)

[5] 张武昆,谭永华,高玉闪,等.增材制造BCCZ点阵结构的自由振动分析[J].振动与冲击.2023.42(1):318-325.(EI检索)

[6] 张武昆,谭永华,高玉闪,等.多层尺寸梯度面心立方点阵结构力学性能研究[J].西安交通大学学报.2023.(EI检索)

[7] 张武昆,闫伟,王会平,等.不同环境下宽径比对T800/X850复合材料开孔层压板压缩失效的影响[J].复合材料学报.2020,37(02),267-275.（EI检索）

[8] 赵剑,谭永华,陈建华,等.自紧式K形金属密封组件密封特性研究[J].火箭推进, 2013, 39(6):7.

[9] 赵剑,谭永华,陈建华.基于BQGA的重型液氧/煤油发动机柔性波纹管波形优化研究[J].火箭推进, 2018, 44(1):7.

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