NASA试射增材制造铝制火箭发动机喷嘴

近日，美国国家航空航天局（NASA）报告了对增材制造铝制火箭发动机喷嘴的测试。由于比传统喷嘴更轻，预计这一发展将为能够携带更大有效载荷的深空任务铺平道路。

根据公告，位于阿拉巴马州亨茨维尔马歇尔太空飞行中心的工程师与位于科罗拉多州伊利的Elementum 3D合作，开发了一种耐热性足以用于火箭发动机的可焊接铝。与其他金属相比，铝的密度更低，可以制造出高强度、轻质的部件。

由于铝对极端高温的耐受性低，并且在焊接过程中容易开裂，因此铝不常用于火箭发动机零件的增材制造。然而，NASA最近在第四次工业革命的反应性增材制造（RAMFIRE）项目下取得了进展。RAMFIRE由NASA空间技术任务局（STMD）资助，旨在推进轻质、增材制造的铝制火箭喷嘴。这些喷嘴设计有小的内部通道，可以保持足够的冷却，防止熔化。

RAMFIRE喷嘴
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。相比之下，RAMFIRE喷嘴被构造成为单件，从而减少了粘合并显著缩短了制造时间。NASA和Elementum 3D合作开发了一种名为A6061-RAM2的新型铝变体。该变体用于构造喷嘴并对激光定向能量沉积（DED）增材制造技术中使用的粉末进行改性。位于南达科他州拉皮德市的RPM Innovations（RPMI）利用这种新发明的铝和专用粉末，使用其基于激光粉末的定向能沉积工艺制造了RAMFIRE喷嘴。

在RPM创新工厂，一种具有整体通道的大型塞式演示喷嘴的制造正在进行中。激光粉末定向能量沉积工艺使用激光创建熔池，并将粉末吹入熔池以逐层沉积材料。NASA的工程师使用喷嘴作为概念验证，为未来的部件设计提供信息

马歇尔研究所RAMFIRE首席研究员Paul Gradl分享道：“与专业制造供应商的行业合作伙伴关系有助于推进供应基础，并有助于使增材制造更容易用于NASA的任务以及更广泛的商业和航空航天行业。我们减少了制造过程中涉及的步骤，使能够在几天内将大型发动机部件作为一个单一部件制造出来。”

NASA的月球到火星目标要求有能力将更大的有效载荷运送到深空目的地。通过生产能够承受大量结构载荷的轻质火箭部件，就让该部件对实现这一目标至关重要。STMD先进制造首席技术专家John Vickers表示：“质量对未来的深空任务至关重要。像这样成熟的增材制造项目以及先进材料，将有助于发展新的推进系统、太空制造和月球、火星及其他任务所需的基础设施。”

在马歇尔太空飞行中心，用RAMFIRE项目中使用的6061-RAM2铝材料开发的是一个真空夹套制造演示。该部件是为低温流体应用而制造的，设计有一系列壁厚约0.06英寸的整体冷却通道

今年夏天的早些时候，在马歇尔东部测试区，两个RAMFIRE喷嘴使用不同的燃料配置进行了多次测试。其中包括液氧和液氢，以及液氧和液态甲烷。尽管喷嘴在超过825磅/平方英寸（psi）的压力下运行，超过了预期的测试压力，但喷嘴仍成功运行并完成了22次启动，累计运行时间为579秒，接近10分钟。这一成功证明了喷嘴在最具挑战性的深空环境中具备了有效运行的能力。

Gradl补充道：“这一系列测试标志着喷嘴的一个重要里程碑。在将喷嘴进行了一系列要求苛刻的热点火测试后，我们已经证明，对于月球着陆器规模的发动机来说，喷嘴可以承受热、结构和压力载荷。”

NASA工程师Tessa Fedotowsky和Ben Williams在成功进行高温测试后检查RAMFIRE喷嘴

RAMFIRE项目在建造和测试火箭发动机喷嘴方面取得了成功，还利用RAMFIRE铝材料和增材制造工艺制造了更多先进的大型部件用于演示。这些部件包括一个直径91.4cm带复杂整体冷却剂通道的塞式喷管和一个专为低温流体应用设计的真空夹套罐。

接下来，NASA将和行业合作伙伴继续合作，并与商业利益相关者和学术界共享数据和流程。几家航空航天公司目前正在评估这种新型合金和激光粉末定向能量沉积增材制造工艺，探索利用它制造卫星和其他应用部件的方法。