远程星际旅行3D打印火箭零件

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2020年9月，NASA发布了一则消息称，作为Artemis计划的一部分，美国宇航局正在将宇航员送回月球，在那里为人类对火星的探索做准备。来自美国国家航空航天局、工业界和学术界的专家的3D打印技术，是远程星际旅行制造火箭零件的开创性方法。

△点火测试的金属3D打印火箭发动机

NASA的快速分析和制造推进技术项目（RAMPT）正在推进使用金属粉末和激光，对火箭发动机零件进行3D打印技术的开发。这是一种被称为送粉定向能量沉积法（blown powder directed energy deposition），支持多种金属材料同时打印，可以降低生产大型复杂发动机部件（如喷嘴和燃烧室）的成本和交货时间。旧的3D打印技术不具备这种大规模生产应用的能力。

△一体化多金属复合材料外包裹推力室组件的中心，是由3D打印的整体通道式铜燃烧室组成。

中心室使用NASA以前开发的GRCop42或GRCop84铜合金增材制造技术制造。然后使用双金属3D打印技术将双金属接头（界面）建立在腔室的喷嘴端。结果是在腔室和界面之间形成牢固的结合，并在铜合金的喷嘴端部适当扩散。双金属界面是自由形式的可重复使用喷嘴的基础。送粉定向能量沉积工艺（DED），3D打印出带有用于冷却剂流动的整体通道的可重复利用喷嘴。冷却剂回路通过使用径向熔覆操作添加的整体歧管封闭。为了完成TCA（蓄冷式推力室），整个组件（包括燃烧室和可重复利用喷嘴）都用复合材料外包装包裹，能够承受所需的压力和温度负荷。

快速分析和制造推进技术（RAMPT）项目，促进新颖的设计和制造技术更加成熟，扩大规模，大幅降低成本并提高蓄冷式推力室组件的性能，特别是用于ZF和航天计划的燃烧室和喷嘴。解决发动机系统中最高的成本和最重的部件的一系列问题。RAMPT的目的是开发一种集成的多合金轻质推力室组件，可大规模应用金属3D打印技术，降低成本、加快进度，并突破之前无法实现的设计。通过公私合作利用ZF和行业的投资，推进过程开发数据和技术改进。同时还寻求建立美国供应链并开发专门的技术供应商，以供所有感兴趣的行业合作伙伴和ZF机构使用。将发展综合的专业流程开发，材料表征以及硬件开发和测试，让整套技术更加成熟。

△送粉定向能量沉积金属3D打印过程

金属3D打印火箭发动机零件的优势

降低制造复杂性：坚固的一体化结构，意味着无接头，无焊缝

与目前的燃烧室相比，重量减轻了40％：采用多种材料和复合材料外包裹可优化性能并减轻重量

提高安全性和可靠性：消除接头可减少潜在的泄漏源

减少热应力：金属3D打印技术使不同材料之间的热膨胀系数差异最小化

改进的金属／复合材料粘结：金属腔室外部的设计表面特征，使粘结能够与复合材料外包裹层热隔离

“这项技术进步意义重大，因为它使我们能够以比过去更低的成本生产出最困难、最昂贵的火箭发动机零件。”美国国家航空航天局（NASA）的“改变游戏规则”开发计划的经理德鲁·霍普（Drew Hope）说。“此外，它将引导航空航天行业内外的公司使用这种技术，并将这种制造技术应用于医疗、运输和基础设施行业。”

△1米多高的金属3D打印火箭发动机喷嘴

这种送粉定向能量沉积3D打印技术，是将金属粉末注入激光加热的熔融金属池或熔池中。吹粉喷嘴和激光光学元件集成在打印头中。打印头安装在机器人上，并由计算机控制，一层层打印堆叠沉积金属材料。这种制造方法具有许多优点，包括能够生产非常大的零件，例如3米、5米、甚至10米大；也可以用于打印非常复杂的零件，包括带有内部冷却液通道的发动机喷嘴，使低温推进剂穿过通道，将喷嘴温度保持在安全范围内。

△多种金属粉末材料同时打印

位于阿拉巴马州汉斯维尔的NASA 马歇尔太空飞行中心 RAMPT首席研究员保罗·格拉德（Paul Gradl）说：“制造喷嘴，对于传统工艺有着很大的挑战性，而且可能需要很长时间。我们将建造具有复杂内部特征的超大型部件，在以前这是不可能实现的。我们能够显著减少与制造通道冷却喷嘴和其他关键火箭部件相关的时间和成本。”

RAMPT团队最近3D打印NASA迄今为止最大的喷嘴，直径为40英寸（1米），高度为38英寸，带有一体化集成的冷却通道。制造时间达到了创纪录的水平，与传统焊接方法需要1年，而3D打印只用了30天。由于技术的飞速发展，完成时间比计划提前了一年。

RAMPT项目的成功吸引了NASA 太空发射系统（Space Launch System）火箭团队的注意。NASA的Space Launch System和“猎户座”飞船是深空探测计划的支柱，其中包括2024年将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续的勘探体系。Space Launch System计划购买送粉定向能量沉积制造工艺的设备，目的是对它进行航天认证。他们与RAMPT一起使用这个技术来构建和评估直径不超过5英尺，高7英尺（约2米）的通道冷却喷嘴。

Space Launch System计划液体发动机办公室经理Johnny Heflin说：“使用这种新型的增材制造技术，生产通道壁喷嘴和其他组件，将使我们能够大规模制造火箭发动机，大幅降低资金成本和时间周期。”

通过一系列严格的热火测试，工程师将使喷头的小尺寸版本进行测试，经受了真实发射过程中所面临的相同的6，000℃燃烧温度和持续压力，证明新型定向能量沉积技术的耐用性和性能。

如果你想了解更多这种金属3D打印火箭发动机零件的技术，请看NASA发布的研究论文“Lightweight Thrust Chamber Assemblies using Multi－Alloy Additive Manufacturing and Composite Overwrap”采用多合金3D打印和复合材料封装的轻质火箭推力室。