3D打印助力新一輪太空競賽！Aerojet Rocketdyne新型3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過NASA...

2021年5月19日，南極熊獲悉，美國推進(jìn)系統(tǒng)制造商Aerojet Rocketdyne宣布，其RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)版已成功通過美國國家航空航天局的點(diǎn)火測試程序。

在試驗(yàn)期間，該公司的新型RL10C-X上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增材制造的噴油器和燃燒室，在太空模擬中展示了點(diǎn)火過程和長期耐用性。RL10C-X是與美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）共同開發(fā)的，是為了推動(dòng)其下一代Vulcan Centaur運(yùn)載火箭，作為即將到來的探索性太空任務(wù)的一部分。

Aerojet Rocketdyne公司首席執(zhí)行官Eileen P. Drake說："成功完成這個(gè)測試系列驗(yàn)證了我們將3D打印技術(shù)納入RL10項(xiàng)目的方法，以降低成本，同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)的無與倫比的性能。RL10在近六十年來一直是該行業(yè)的主力軍，RL10C-X將有助于確保該發(fā)動(dòng)機(jī)保持這一領(lǐng)導(dǎo)地位。"

△一名AerojetRocketdyne公司的工程師正在準(zhǔn)備該公司的RL10C-X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以供測試。照片來自Aerojet Rocketdyne公司

航空噴氣式火箭公司和3D打印

除了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，Aerojet Rocketdyne公司也是著名的導(dǎo)彈防御和戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)制造商，為美國客戶和國外機(jī)構(gòu)的需求服務(wù)。這家公司20多年來一直致力于將3D打印融入其生產(chǎn)過程，以產(chǎn)生可用于航天的部件，在降低產(chǎn)品成本的同時(shí)提高設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并取得了很大進(jìn)展。

早在2017年3月，Aerojet Rocketdyne公司再次承諾使用Sigma實(shí)驗(yàn)室的PrintRite3D軟件，此后，該軟件起到了加快其認(rèn)證工作流程的作用。該公司還在其AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中集成了一個(gè)3D打印的預(yù)燃器，并對其進(jìn)行了點(diǎn)火測試，此外還在2017年晚些時(shí)候完成了關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查（CDR）。

最近，Aerojet Rocketdyne收購了3D Material Technologies（3DMT），此舉將3DMT公司的3D打印、數(shù)控加工和MIM能力納入其產(chǎn)品組合。利用其增材制造的專業(yè)知識(shí)，該公司現(xiàn)在也為RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)制造關(guān)鍵部件，它最近獲得了17.9億美元的合同，為NASA的'SLS項(xiàng)目'制造18個(gè)系統(tǒng)。

RL10C-X的任務(wù)測試

Aerojet Rocketdyne公司的RL 10發(fā)動(dòng)機(jī)于1959年完成首次測試，多年來已發(fā)射了數(shù)百顆衛(wèi)星、探索性航天器和著陸器。在這段時(shí)間里，動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)歷了九次重大升級(jí)，鑒于它具有深度節(jié)流能力，可降至額定推力的10%，此款發(fā)動(dòng)機(jī)依舊被作為美國國家航空航天局大型月球登陸器任務(wù)的動(dòng)力手段。

為了確保推進(jìn)系統(tǒng)的持續(xù)功效，Aerojet Rocketdyne公司已經(jīng)與ULA和美國空軍合作，開發(fā)其增強(qiáng)型RL10C-X模型，已達(dá)四年之久。最初，這家公司在2017年只是3D打印和測試了小規(guī)模的部件，然后成功地將鎳基增材制造的再生冷卻噴嘴集成到火箭的推力室組件中。

Aerojet Rocketdyne建立了一個(gè)可以生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)配置后，在2019年4月進(jìn)行了一次全面的海平面測試，沒有發(fā)生任何意外，此后它總共被啟動(dòng)了32次。在它的最新評估中，RL10C-X接受了兩次點(diǎn)火高度測試，這些測試是在真空中進(jìn)行的，以模擬太空中的條件。

事實(shí)證明，經(jīng)過3D打印優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠點(diǎn)燃并提供24,000磅的推力，同時(shí)經(jīng)受住多次重啟和長時(shí)間的運(yùn)行。RL10C-X現(xiàn)在已經(jīng)積累了超過5000秒的全引擎點(diǎn)火測試時(shí)間，它將被用作ULA的Vulcan Centaur火箭的動(dòng)力系統(tǒng)，該火箭也在2021年4月被列入NASA的太空運(yùn)載火箭目錄。

Aerojet Rocketdyne公司太空業(yè)務(wù)部高級(jí)副總裁Jim Maser表示："我們在這個(gè)項(xiàng)目上取得的突出進(jìn)展表明，整個(gè)RL10C-X發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成熟，可以投入使用。它不僅證明了RL10設(shè)計(jì)的能力和穩(wěn)定性，而且還證明了這個(gè)團(tuán)隊(duì)在氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和革新方面有著極為深厚的經(jīng)驗(yàn)"。

△在美國宇航局馬歇爾太空飛行中心對Aerojet Rocketdyne公司的3D打印Bantam火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)射測試。照片來自Aerojet Rocketdyne公司

3D打印的太空競賽

為了給未來的太空任務(wù)提供動(dòng)力，NASA正越來越多地轉(zhuǎn)向那些使用3D打印技術(shù)的私營航空航天公司，以開發(fā)具有更強(qiáng)飛行能力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，今年早些時(shí)候，3D打印火箭制造商Relativity Space獲得了一份價(jià)值300萬美元的NASA合同，用于發(fā)射小型衛(wèi)星進(jìn)入太空軌道。

NASA本身也對增材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行了研究，在2020年12月完成了23次銅燃燒室和鐵鎳超合金噴嘴的點(diǎn)火試驗(yàn)。在評估過程中，經(jīng)過優(yōu)化的直接能量沉積（DED）打印部件被證明能夠承受比傳統(tǒng)同類部件更極端的熱量。

在其他方面，美國宇航局的科學(xué)家們正在與約翰-霍普金斯大學(xué)合作，采取一種完全不同的方法，來試驗(yàn)一種太陽能推進(jìn)的火箭設(shè)計(jì)。研究人員目前正在探索使用金屬3D打印作為優(yōu)化裝置隔熱罩手段的可能性。