NASA 測(cè)試 3D 打印鋁制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，比傳統(tǒng)噴嘴更輕，耐受溫度更高

2023年10月23日，南極熊獲悉，作為第四次工業(yè)革命反應(yīng)增材制造 (RAMFIRE) 項(xiàng)目的一部分，NASA 最近建造并測(cè)試了 3D 打印鋁制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。NASA開發(fā)人員表示，增材制造噴嘴要比傳統(tǒng)噴嘴更輕，可以承載更高的有效載荷，為航天器的深空飛行奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)該機(jī)構(gòu)的合作機(jī)會(huì)公告，位于阿拉巴馬州亨茨維爾的 NASA 馬歇爾太空飛行中心的工程師與位于科羅拉多州伊利市的 Elementum 3D合作，制造了一種可焊接的鋁，其耐熱性足以用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與其他金屬相比，鋁的密度較低，可用于制造高強(qiáng)度、輕質(zhì)的部件。

△RAMFIRE 噴嘴在馬歇爾東測(cè)試區(qū) 115 號(hào)展臺(tái)進(jìn)行熱火測(cè)試。該噴嘴由新型鋁合金6061-RAM2 制成，可承受巨大的溫度梯度。當(dāng)熱氣體接近 3300 攝氏度并燃燒時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴外部會(huì)形成冰柱。資料來源：美國宇航局

然而，由于鋁對(duì)極熱的耐受性較低且在焊接過程中容易破裂，因此到目前為止，鋁通常難以用于增材制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

RAMFIRE 項(xiàng)目由 NASA 空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì) (STMD) 資助，專注于推進(jìn)輕質(zhì)、增材制造的鋁制火箭噴嘴。噴嘴設(shè)計(jì)有小的內(nèi)部通道，使噴嘴保持足夠低溫以防止熔化。

使用傳統(tǒng)的制造方法，噴嘴可能需要多達(dá)一千個(gè)單獨(dú)連接的零件。RAMFIRE 噴嘴采用一體式設(shè)計(jì)，所需的粘合量大大減少，并顯著縮短了制造時(shí)間。

△在南達(dá)科他州拉皮德城的 RPM Innovation (RPMI) 工廠，帶有整體通道的大型氣動(dòng)塞式演示噴嘴的制造工作正在進(jìn)行中。激光粉末定向能量沉積（LP-DED）工藝使用激光創(chuàng)建熔池，并將粉末吹入熔池中以逐層沉積材料。美國宇航局工程師將使用該噴嘴作為概念驗(yàn)證，為未來的組件設(shè)計(jì)提供信息。資料來源：RPM 創(chuàng)新

NASA 和 Elementum 3D首先開發(fā)了新型鋁合金材料，稱為 A6061-RAM2，用于制造噴嘴并改性激光粉末定向能量沉積 (LP-DED) 技術(shù)所使用的粉末。位于南達(dá)科他州拉皮德城的另一個(gè)商業(yè)合作伙伴 RPMInnovations (RPMI) 使用新發(fā)明的鋁和特殊粉末，通過 LP-DED 工藝制造 RAMFIRE 噴嘴。

NASA 馬歇爾 RAMFIRE 首席研究員 Paul Gradl 表示：“與專業(yè)制造供應(yīng)商的行業(yè)合作有助于推進(jìn)供應(yīng)基礎(chǔ)，并有助于使增材制造更容易應(yīng)用到NASA 任務(wù)以及更廣泛的商業(yè)和航空航天業(yè)。我們減少了制造過程中涉及的步驟，使我們能夠在幾天內(nèi)將大型發(fā)動(dòng)機(jī)部件作為一個(gè)單一的構(gòu)件來制造?！?/div>

美國宇航局的月球到火星目標(biāo)需要能夠向深空目的地發(fā)送更多貨物。這種新型合金可以在制造能夠承受高結(jié)構(gòu)載荷的輕型火箭部件方面發(fā)揮重要作用。

△來自阿拉巴馬州亨茨維爾馬歇爾太空飛行中心的 NASA 工程師 Tessa Fedotowsky 和 Ben Williams 在成功進(jìn)行熱火測(cè)試后檢查 RAMFIRE 噴嘴。資料來源：美國宇航局

STMD 先進(jìn)制造首席技術(shù)專家John Vickers 表示：“質(zhì)量對(duì)于 NASA 未來的深空任務(wù)至關(guān)重要。像這種成熟的增材制造和先進(jìn)材料這樣的項(xiàng)目，將有助于發(fā)展新的推進(jìn)系統(tǒng)、太空制造，推動(dòng)美國宇航局移民月球、火星等太空任務(wù)的順利進(jìn)行?！?/div>

今年夏天早些時(shí)候，在馬歇爾東部試驗(yàn)區(qū)，兩個(gè) RAMFIRE 噴嘴使用液氧和液氫以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次熱火測(cè)試。由于壓力室超過 825 磅每平方英寸 (psi)（超過預(yù)期的測(cè)試壓力），噴嘴成功累積了 22 次啟動(dòng)和 579 秒（即近 10分鐘）的運(yùn)行時(shí)間。該事件表明噴嘴可以在最苛刻的深空環(huán)境中運(yùn)行。

格拉德爾說：“這個(gè)測(cè)試系列標(biāo)志著噴嘴的一個(gè)重要里程碑，在對(duì)噴嘴進(jìn)行一系列嚴(yán)格的熱火測(cè)試后，我們證明了該噴嘴能夠承受月球著陸器規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)的熱、結(jié)構(gòu)和壓力負(fù)載?！?/div>

△真空夾套制造演示罐，由 6061-RAM2 鋁制成。該組件專為低溫流體應(yīng)用而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有一系列壁厚約為 0.06英寸的整體冷卻通道。資料來源：美國宇航局

除了成功建造和測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴外，RAMFIRE項(xiàng)目還使用RAMFIRE鋁材料和增材制造工藝來建造其他先進(jìn)的大型部件用于演示目的。其中包括直徑為36 英寸的氣動(dòng)塞式噴嘴，具有復(fù)雜的整體冷卻劑通道，以及用于低溫流體應(yīng)用的真空夾套罐。

據(jù) NASA 稱，該機(jī)構(gòu)和行業(yè)合作伙伴正在努力與商業(yè)利益相關(guān)者和學(xué)術(shù)界共享數(shù)據(jù)和流程。多家航空航天公司正在評(píng)估這種新型合金和 LP-DED 增材制造工藝，并尋找將其用于制造衛(wèi)星和其他應(yīng)用部件的方法。