NASA 測試 3D 打印鋁制火箭發(fā)動機噴嘴，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) 項目的一部分，NASA 最近建造并測試了 3D 打印鋁制火箭發(fā)動機噴嘴。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)該機構(gòu)的合作機會公告，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)動機。與其他金屬相比，鋁的密度較低，可用于制造高強度、輕質(zhì)的部件。

△RAMFIRE 噴嘴在馬歇爾東測試區(qū) 115 號展臺進行熱火測試。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，發(fā)動機噴嘴外部會形成冰柱。資料來源：美國宇航局

然而，由于鋁對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)動機零件。

RAMFIRE 項目由 NASA 空間技術(shù)任務(wù)理事會 (STMD) 資助，專注于推進輕質(zhì)、增材制造的鋁制火箭噴嘴。噴嘴設(shè)計有小的內(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，噴嘴可能需要多達一千個單獨連接的零件。RAMFIRE 噴嘴采用一體式設(shè)計，所需的粘合量大大減少，并顯著縮短了制造時間。

△在南達科他州拉皮德城的 RPM Innovation (RPMI) 工廠，帶有整體通道的大型氣動塞式演示噴嘴的制造工作正在進行中。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證，為未來的組件設(shè)計提供信息。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。位于南達科他州拉皮德城的另一個商業(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)動機部件作為一個單一的構(gòu)件來制造。”

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 在成功進行熱火測試后檢查 RAMFIRE 噴嘴。資料來源：美國宇航局

STMD 先進制造首席技術(shù)專家John Vickers 表示：“質(zhì)量對于 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材料這樣的項目，將有助于發(fā)展新的推進系統(tǒng)、太空制造，推動美國宇航局移民月球、火星等太空任務(wù)的順利進行。”

今年夏天早些時候，在馬歇爾東部試驗區(qū)，兩個 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試。由于壓力室超過 825 磅每平方英寸 (psi)（超過預(yù)期的測試壓力），噴嘴成功累積了 22 次啟動和 579 秒（即近 10分鐘）的運行時間。該事件表明噴嘴可以在最苛刻的深空環(huán)境中運行。

格拉德爾說：“這個測試系列標(biāo)志著噴嘴的一個重要里程碑，在對噴嘴進行一系列嚴(yán)格的熱火測試后，我們證明了該噴嘴能夠承受月球著陸器規(guī)模發(fā)動機的熱、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，設(shè)計有一系列壁厚約為 0.06英寸的整體冷卻通道。資料來源：美國宇航局

除了成功建造和測試火箭發(fā)動機噴嘴外，RAMFIRE項目還使用RAMFIRE鋁材料和增材制造工藝來建造其他先進的大型部件用于演示目的。其中包括直徑為36 英寸的氣動塞式噴嘴，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。