NASA 3D打印鋁制RAMFIRE箭發(fā)動機噴嘴以實現(xiàn)深空探索

2023年10月21日，南極熊獲悉，美國國家航空航天局（NASA）成功地進行了3D打印和測試一種新型火箭發(fā)動機噴嘴RAMFIRE，該項目作為第四次工業(yè)革命的一部分。

△3D打印RAMFIRE噴嘴的熱火測試

來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)動機所需的耐高溫性能。

由于鋁材料的低密度，它能夠制造高強度且輕質(zhì)的零部件。因此，NASA聲稱它們新型的3D打印RAMFIRE火箭發(fā)動機噴嘴相較于傳統(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項目得到了NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會（STMD）的資助。

STMD先進制造首席技術(shù)專家John Vickers解釋道：“航天減重對于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項目有助于發(fā)展新的推進系統(tǒng)、太空制造以及美國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在成功進行熱火測試后檢查RAMFIRE噴嘴

3D打印RAMFIRE火箭發(fā)動機噴嘴

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

馬歇爾太空飛行中心RAMFIRE項目的首席研究員Paul Gradl評論道：“我們減少了制造過程中所涉及的步驟，這使我們能夠在幾天內(nèi)將大型發(fā)動機零部件制造成一個整體�！�

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團隊與定向能量沉積（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)進行3D打印。

Gradl補充說：“與專業(yè)制造供應(yīng)商的行業(yè)合作有助于推動供應(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

瞄準深空任務(wù)

美國宇航局的“月球到火星”計劃旨在實現(xiàn)人類在月球上的長期存在，并隨后進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RAMFIRE噴嘴已在馬歇爾東試驗區(qū)進行了多次熱火測試，包括使用氧氣和液氫以及液氧和液甲烷燃料配置。這些測試在今年早些時候進行，累計啟動22次，成功運行時間接近10分鐘。壓力室超過了825磅每平方英寸（psi）的壓力，超出了預(yù)期的測試壓力。NASA表示，這些測試表明3D打印噴嘴在最苛刻的深空環(huán)境中可以有效運行。

Gradl表示：“這個測試系列標志著噴嘴的一個重要里程碑。在經(jīng)過一系列嚴格的熱火測試后，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)和壓力負載�！�

除了用于火箭發(fā)動機噴嘴，RAMFIRE鋁還用于3D打印其它先進的大型部件，用于演示目的。其中包括一個直徑36英寸的Aerospike噴嘴，該噴嘴將復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。

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