NASA正推進(jìn)使用金屬粉末和激光對發(fā)動機(jī)零件進(jìn)行3D打印

南極熊注意到，2020年9月，NASA發(fā)布了一則消息稱，作為Artemis計(jì)劃的一部分，美國宇航局正在將宇航員送回月球，在那里為人類對火星的探索做準(zhǔn)備。來自美國國家航空航天局、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的專家的3D打印技術(shù)，是遠(yuǎn)程星際旅行制造火箭零件的開創(chuàng)性方法。

NASA的快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目（RAMPT）正在推進(jìn)使用金屬粉末和激光，對火箭發(fā)動機(jī)零件進(jìn)行3D打印技術(shù)的開發(fā)。這是一種被稱為送粉定向能量沉積法（blown powder directed energy deposition），支持多種金屬材料同時打印，可以降低生產(chǎn)大型復(fù)雜發(fā)動機(jī)部件（如噴嘴和燃燒室）的成本和交貨時間。舊的3D打印技術(shù)不具備這種大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的能力。

△一體化多金屬復(fù)合材料外包裹推力室組件的中心，是由3D打印的整體通道式銅燃燒室組成。

中心室使用NASA以前開發(fā)的GRCop42或GRCop84銅合金增材制造技術(shù)制造。然后使用雙金屬3D打印技術(shù)將雙金屬接頭（界面）建立在腔室的噴嘴端。結(jié)果是在腔室和界面之間形成牢固的結(jié)合，并在銅合金的噴嘴端部適當(dāng)擴(kuò)散。雙金屬界面是自由形式的可重復(fù)使用噴嘴的基礎(chǔ)。送粉定向能量沉積工藝（DED），3D打印出帶有用于冷卻劑流動的整體通道的可重復(fù)利用噴嘴。冷卻劑回路通過使用徑向熔覆操作添加的整體歧管封閉。為了完成TCA（蓄冷式推力室），整個組件（包括燃燒室和可重復(fù)利用噴嘴）都用復(fù)合材料外包裝包裹，能夠承受所需的壓力和溫度負(fù)荷。

快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)（RAMPT）項(xiàng)目，促進(jìn)新穎的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)更加成熟，擴(kuò)大規(guī)模，大幅降低成本并提高蓄冷式推力室組件的性能，特別是用于政府和航天計(jì)劃的燃燒室和噴嘴。解決發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中最高的成本和最重的部件的一系列問題。RAMPT的目的是開發(fā)一種集成的多合金輕質(zhì)推力室組件，可大規(guī)模應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)，降低成本、加快進(jìn)度，并突破之前無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。通過公私合作利用政府和行業(yè)的投資，推進(jìn)過程開發(fā)數(shù)據(jù)和技術(shù)改進(jìn)。同時還尋求建立美國供應(yīng)鏈并開發(fā)專門的技術(shù)供應(yīng)商，以供所有感興趣的行業(yè)合作伙伴和政府機(jī)構(gòu)使用。將發(fā)展綜合的專業(yè)流程開發(fā)，材料表征以及硬件開發(fā)和測試，讓整套技術(shù)更加成熟。

金屬3D打印火箭發(fā)動機(jī)零件的優(yōu)勢

降低制造復(fù)雜性：堅(jiān)固的一體化結(jié)構(gòu)，意味著無接頭，無焊縫

與目前的燃燒室相比，重量減輕了40％：采用多種材料和復(fù)合材料外包裹可優(yōu)化性能并減輕重量

提高安全性和可靠性：消除接頭可減少潛在的泄漏源

減少熱應(yīng)力：金屬3D打印技術(shù)使不同材料之間的熱膨脹系數(shù)差異最小化

改進(jìn)的金屬／復(fù)合材料粘結(jié)：金屬腔室外部的設(shè)計(jì)表面特征，使粘結(jié)能夠與復(fù)合材料外包裹層熱隔離

“這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步意義重大，因?yàn)樗刮覀兡軌蛞员冗^去更低的成本生產(chǎn)出最困難、最昂貴的火箭發(fā)動機(jī)零件。”美國國家航空航天局（NASA）的“改變游戲規(guī)則”開發(fā)計(jì)劃的經(jīng)理德魯·霍普（Drew Hope）說。“此外，它將引導(dǎo)航空航天行業(yè)內(nèi)外的公司使用這種技術(shù)，并將這種制造技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)。”

這種送粉定向能量沉積3D打印技術(shù)，是將金屬粉末注入激光加熱的熔融金屬池或熔池中。吹粉噴嘴和激光光學(xué)元件集成在打印頭中。打印頭安裝在機(jī)器人上，并由計(jì)算機(jī)控制，一層層打印堆疊沉積金屬材料。這種制造方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠生產(chǎn)非常大的零件，例如3米、5米、甚至10米大；也可以用于打印非常復(fù)雜的零件，包括帶有內(nèi)部冷卻液通道的發(fā)動機(jī)噴嘴，使低溫推進(jìn)劑穿過通道，將噴嘴溫度保持在安全范圍內(nèi)。

位于阿拉巴馬州漢斯維爾的NASA 馬歇爾太空飛行中心 RAMPT首席研究員保羅·格拉德（Paul Gradl）說：“制造噴嘴，對于傳統(tǒng)工藝有著很大的挑戰(zhàn)性，而且可能需要很長時間。我們將建造具有復(fù)雜內(nèi)部特征的超大型部件，在以前這是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們能夠顯著減少與制造通道冷卻噴嘴和其他關(guān)鍵火箭部件相關(guān)的時間和成本?！?/p>

RAMPT團(tuán)隊(duì)最近3D打印NASA迄今為止最大的噴嘴，直徑為40英寸（1米），高度為38英寸，帶有一體化集成的冷卻通道。制造時間達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平，與傳統(tǒng)焊接方法需要1年，而3D打印只用了30天。由于技術(shù)的飛速發(fā)展，完成時間比計(jì)劃提前了一年。

RAMPT項(xiàng)目的成功吸引了NASA 太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System）火箭團(tuán)隊(duì)的注意。NASA的Space Launch System和“獵戶座”飛船是深空探測計(jì)劃的支柱，其中包括2024年將第一名女性和第二名男子送入月球，并在十年后建立起可持續(xù)的勘探體系。Space Launch System計(jì)劃購買送粉定向能量沉積制造工藝的設(shè)備，目的是對它進(jìn)行航天認(rèn)證。他們與RAMPT一起使用這個技術(shù)來構(gòu)建和評估直徑不超過5英尺，高7英尺（約2米）的通道冷卻噴嘴。

Space Launch System計(jì)劃液體發(fā)動機(jī)辦公室經(jīng)理Johnny Heflin說：“使用這種新型的增材制造技術(shù)，生產(chǎn)通道壁噴嘴和其他組件，將使我們能夠大規(guī)模制造火箭發(fā)動機(jī)，大幅降低資金成本和時間周期?！?/p>

通過一系列嚴(yán)格的熱火測試，工程師將使噴頭的小尺寸版本進(jìn)行測試，經(jīng)受了真實(shí)發(fā)射過程中所面臨的相同的6，000℃燃燒溫度和持續(xù)壓力，證明新型定向能量沉積技術(shù)的耐用性和性能。

如果你想了解更多這種金屬3D打印火箭發(fā)動機(jī)零件的技術(shù)，請看NASA發(fā)布的研究論文“Lightweight Thrust Chamber Assemblies using Multi－Alloy Additive Manufacturing and Composite Overwrap”采用多合金3D打印和復(fù)合材料封裝的輕質(zhì)火箭推力室。
責(zé)編AJX