NASA 测试 3D 打印铝制火箭发动机喷嘴，比传统喷嘴更轻，耐受温度更高

2023年10月23日，南极熊获悉，作为第四次工业革命反应增材制造 (RAMFIRE) 项目的一部分，NASA 最近建造并测试了 3D 打印铝制火箭发动机喷嘴。NASA开发人员表示，增材制造喷嘴要比传统喷嘴更轻，可以承载更高的有效载荷，为航天器的深空飞行奠定了基础。

根据该机构的合作机会公告，位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心的工程师与位于科罗拉多州伊利市的 Elementum 3D合作，制造了一种可焊接的铝，其耐热性足以用于火箭发动机。与其他金属相比，铝的密度较低，可用于制造高强度、轻质的部件。

△RAMFIRE 喷嘴在马歇尔东测试区 115 号展台进行热火测试。该喷嘴由新型铝合金6061-RAM2 制成，可承受巨大的温度梯度。当热气体接近 3300 摄氏度并燃烧时，发动机喷嘴外部会形成冰柱。资料来源：美国宇航局

然而，由于铝对极热的耐受性较低且在焊接过程中容易破裂，因此到目前为止，铝通常难以用于增材制造火箭发动机零件。

RAMFIRE 项目由 NASA 空间技术任务理事会 (STMD) 资助，专注于推进轻质、增材制造的铝制火箭喷嘴。喷嘴设计有小的内部通道，使喷嘴保持足够低温以防止熔化。

使用传统的制造方法，喷嘴可能需要多达一千个单独连接的零件。RAMFIRE 喷嘴采用一体式设计，所需的粘合量大大减少，并显著缩短了制造时间。

△在南达科他州拉皮德城的 RPM Innovation (RPMI) 工厂，带有整体通道的大型气动塞式演示喷嘴的制造工作正在进行中。激光粉末定向能量沉积（LP-DED）工艺使用激光创建熔池，并将粉末吹入熔池中以逐层沉积材料。美国宇航局工程师将使用该喷嘴作为概念验证，为未来的组件设计提供信息。资料来源：RPM 创新

NASA 和 Elementum 3D首先开发了新型铝合金材料，称为 A6061-RAM2，用于制造喷嘴并改性激光粉末定向能量沉积 (LP-DED) 技术所使用的粉末。位于南达科他州拉皮德城的另一个商业合作伙伴 RPMInnovations (RPMI) 使用新发明的铝和特殊粉末，通过 LP-DED 工艺制造 RAMFIRE 喷嘴。

NASA 马歇尔 RAMFIRE 首席研究员 Paul Gradl 表示：“与专业制造供应商的行业合作有助于推进供应基础，并有助于使增材制造更容易应用到NASA 任务以及更广泛的商业和航空航天业。我们减少了制造过程中涉及的步骤，使我们能够在几天内将大型发动机部件作为一个单一的构件来制造。”

美国宇航局的月球到火星目标需要能够向深空目的地发送更多货物。这种新型合金可以在制造能够承受高结构载荷的轻型火箭部件方面发挥重要作用。

△来自阿拉巴马州亨茨维尔马歇尔太空飞行中心的 NASA 工程师 Tessa Fedotowsky 和 Ben Williams 在成功进行热火测试后检查 RAMFIRE 喷嘴。资料来源：美国宇航局

STMD 先进制造首席技术专家John Vickers 表示：“质量对于 NASA 未来的深空任务至关重要。像这种成熟的增材制造和先进材料这样的项目，将有助于发展新的推进系统、太空制造，推动美国宇航局移民月球、火星等太空任务的顺利进行。”

今年夏天早些时候，在马歇尔东部试验区，两个 RAMFIRE 喷嘴使用液氧和液氢以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次热火测试。由于压力室超过 825 磅每平方英寸 (psi)（超过预期的测试压力），喷嘴成功累积了 22 次启动和 579 秒（即近 10分钟）的运行时间。该事件表明喷嘴可以在最苛刻的深空环境中运行。

格拉德尔说：“这个测试系列标志着喷嘴的一个重要里程碑，在对喷嘴进行一系列严格的热火测试后，我们证明了该喷嘴能够承受月球着陆器规模发动机的热、结构和压力负载。”

△真空夹套制造演示罐，由 6061-RAM2 铝制成。该组件专为低温流体应用而设计，设计有一系列壁厚约为 0.06英寸的整体冷却通道。资料来源：美国宇航局

除了成功建造和测试火箭发动机喷嘴外，RAMFIRE项目还使用RAMFIRE铝材料和增材制造工艺来建造其他先进的大型部件用于演示目的。其中包括直径为36 英寸的气动塞式喷嘴，具有复杂的整体冷却剂通道，以及用于低温流体应用的真空夹套罐。

据 NASA 称，该机构和行业合作伙伴正在努力与商业利益相关者和学术界共享数据和流程。多家航空航天公司正在评估这种新型合金和 LP-DED 增材制造工艺，并寻找将其用于制造卫星和其他应用部件的方法。