NASA 3D打印鋁制RAMFIRE箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴以實(shí)現(xiàn)深空探索

2023年10月21日，南極熊獲悉，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）成功地進(jìn)行了3D打印和測(cè)試一種新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴RAMFIRE，該項(xiàng)目作為第四次工業(yè)革命的一部分。

△3D打印RAMFIRE噴嘴的熱火測(cè)試

來(lái)自亨茨維爾馬歇爾太空飛行中心的NASA工程師與材料開發(fā)商Elementum 3D合作，共同研發(fā)了新型RAMFIRE噴嘴。通過(guò)這一合作，它們成功創(chuàng)造出一種可焊接的鋁材料，具備火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所需的耐高溫性能。

由于鋁材料的低密度，它能夠制造高強(qiáng)度且輕質(zhì)的零部件。因此，NASA聲稱它們新型的3D打印RAMFIRE火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴相較于傳統(tǒng)噴嘴更輕，從而有望為深空任務(wù)承載更重的有效載荷。

這一RAMFIRE項(xiàng)目得到了NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)（STMD）的資助。

STMD先進(jìn)制造首席技術(shù)專家John Vickers解釋道：“航天減重對(duì)于NASA未來(lái)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)材料項(xiàng)目有助于發(fā)展新的推進(jìn)系統(tǒng)、太空制造以及美國(guó)宇航局雄心勃勃的月球、火星以及其它地方任務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施�！�

△NASA工程師Tessa Fedotowsky（左）和Ben Williams在成功進(jìn)行熱火測(cè)試后檢查RAMFIRE噴嘴

3D打印RAMFIRE火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

該噴嘴內(nèi)部嵌入了小型通道，用于在運(yùn)行時(shí)冷卻噴嘴以防止熔化。此外，這種新型RAMFIRE噴嘴采用了單一3D打印過(guò)程，最大程度減少了需要進(jìn)行粘合的零件數(shù)量，并大幅縮短了制造時(shí)間。傳統(tǒng)的制造方法可能需要數(shù)百個(gè)獨(dú)立的零件組裝成一個(gè)完整的噴嘴。

馬歇爾太空飛行中心RAMFIRE項(xiàng)目的首席研究員Paul Gradl評(píng)論道：“我們減少了制造過(guò)程中所涉及的步驟，這使我們能夠在幾天內(nèi)將大型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造成一個(gè)整體�！�

NASA和Elementum 3D合作開發(fā)的新型鋁合金被稱為A6061-RAM2。這兩個(gè)合作伙伴還開發(fā)了用于激光粉末直接能量沉積（LP-DED）工藝的專用粉末。

為了制造這種噴嘴，RAMFIRE團(tuán)隊(duì)與定向能量沉積（DED）專家RPM Innovations（RPMI）展開了合作。RPMI利用新開發(fā)的鋁材料和專用粉末，以及LP-DED技術(shù)進(jìn)行3D打印。

Gradl補(bǔ)充說(shuō)：“與專業(yè)制造供應(yīng)商的行業(yè)合作有助于推動(dòng)供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施，并有助于使增材制造更容易應(yīng)用于NASA任務(wù)，以及更廣泛的商業(yè)和航空航天領(lǐng)域�！�

△使用LP-DED 3D打印RAMFIRE噴嘴

瞄準(zhǔn)深空任務(wù)

美國(guó)宇航局的“月球到火星”計(jì)劃旨在實(shí)現(xiàn)人類在月球上的長(zhǎng)期存在，并隨后進(jìn)行人類前往火星的任務(wù)。為了能夠向深空目的地發(fā)送更多貨物，NASA聲稱其新型鋁合金在這些任務(wù)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于生產(chǎn)能夠承受重型結(jié)構(gòu)載荷的輕型火箭部件。

兩個(gè)RAMFIRE噴嘴已在馬歇爾東試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了多次熱火測(cè)試，包括使用氧氣和液氫以及液氧和液甲烷燃料配置。這些測(cè)試在今年早些時(shí)候進(jìn)行，累計(jì)啟動(dòng)22次，成功運(yùn)行時(shí)間接近10分鐘。壓力室超過(guò)了825磅每平方英寸（psi）的壓力，超出了預(yù)期的測(cè)試壓力。NASA表示，這些測(cè)試表明3D打印噴嘴在最苛刻的深空環(huán)境中可以有效運(yùn)行。

Gradl表示：“這個(gè)測(cè)試系列標(biāo)志著噴嘴的一個(gè)重要里程碑。在經(jīng)過(guò)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�！�

除了用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，RAMFIRE鋁還用于3D打印其它先進(jìn)的大型部件，用于演示目的。其中包括一個(gè)直徑36英寸的Aerospike噴嘴，該噴嘴將復(fù)雜的整體冷卻劑通道與真空夾套罐相結(jié)合，用于低溫流體應(yīng)用。

美國(guó)宇航局還指出，它正在與商業(yè)利益相關(guān)者和學(xué)術(shù)界共享該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)和流程。因此，許多航空航天公司據(jù)說(shuō)正在評(píng)估新型鋁合金和LP-DED工藝，除了其他應(yīng)用，衛(wèi)星部件的生產(chǎn)也被認(rèn)為是這種新材料的潛在用例。