增材制造一体化推进器的闭环精密设计与性能验证

《Aerospace》：Closed-Loop Precision Design and Performance Validation of an Additively Manufactured Integrated Thruster

　　**摘要**激光粉末床熔融（L-PBF）技术实现了推力室-喷管与喷注器组件的整体制造，消除了部分装配和焊接界面，减少了结构冗余。然而，在这种制造工艺下，成型几何偏差对功能特征的直接影响更加显著，给尺寸精度和性能稳定性带来了新的挑战。针对这一问题，本研究对一台增材制造的200 N单组元推进剂发动机进行了几何偏差表征、偏差-性能映射、精度分配和性能验证研究。采用坐标测量机、工业CT、微焦点CT和共聚焦显微镜对关键成型偏差进行了表征。通过基于计算流体力学（CFD）的敏感性分析建立了几何偏差与性能的一阶映射模型，并利用蒙特卡洛模拟评估了性能风险。随后，建立了一套结合过程能力指数（Cpk）和性能敏感性的优先级评估体系，用于指导差异化精加工余量分配、CAD模型预补偿和工艺优化。经过两次闭环迭代，蒙特卡洛预测的推力不合格概率从8.5%降至1.2%，模拟喷注流不均匀性从±8.7%缩小至±4.2%。冷流测量表明，喷注流不均匀性从±9.3%降低至±4.8%。在补偿发动机的额定工况热试车中，稳态推力偏差被控制在±1.5%以内，喉径Cpk从0.56提升至1.45。这些结果表明，所提出的"检测-分析-分配-补偿"闭环方法能够将性能敏感性与实际制造能力相结合，为一体化增材制造推进部件的精度资源分配和工程优化提供了一条可实施的途径。