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美國(guó)宇航局NASA和衛(wèi)星發(fā)射公司Virgin Orbit已經(jīng)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了一個(gè)可用的3D打印燃燒室。該組件采用以銅為主的復(fù)合金屬材料制成，旨在推動(dòng)商業(yè)空間領(lǐng)域3D打印的應(yīng)用，并降低未來(lái)NASA任務(wù)的成本。

作為持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程的一部分，最新的3D打印燃燒室成功完成了MSFC的測(cè)試射擊，可提供高達(dá)2,000磅的推力。燃燒室是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，推進(jìn)劑在燃燒室混合并點(diǎn)燃，產(chǎn)生高達(dá)2760°C的極高溫。這需要復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道，其中充滿冷卻至絕對(duì)零度以上低于38°C的氣體。復(fù)雜的冷卻過(guò)程使燃燒室成為最難開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件之一，同時(shí)保持低成本和交付周期。




GRCo-84材料 3D打印的燃燒室零部件

根據(jù)NASA高級(jí)工程師和Virgin Orbit項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Paul Gradl的說(shuō)法，“過(guò)去制造，測(cè)試和交付傳統(tǒng)燃燒室需要數(shù)月時(shí)間。現(xiàn)在我們可以大大減少這個(gè)時(shí)間。3D打印可以改進(jìn)傳統(tǒng)工藝，提供了新的設(shè)計(jì)和性能，并提供了一個(gè)高度耐用的硬件。“

此項(xiàng)目增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也面臨3D打印多金屬與銅合金組件的挑戰(zhàn)。銅由于其高導(dǎo)熱性，優(yōu)異的蠕變性和高溫強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性而在航空航天工業(yè)中廣泛采用。然而，由于其物理和化學(xué)性質(zhì)，銅已被證明是一種難以用于增材制造的材料，因?yàn)樗h(yuǎn)超過(guò)激光束施加的熱量。

為了打造多金屬燃燒室，Virgin Orbit工程師使用了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的NASA添加劑銅合金GRCop-84，該合金于2014年開(kāi)發(fā)，用于在腔室內(nèi)部排列。然后用Virgin Orbit的混合添加/減成機(jī)打印材料，該機(jī)器應(yīng)用第二個(gè)雙金屬超合金夾套，然后將零件加工到正確的尺寸。今年早些時(shí)候，美國(guó)宇航局的研究人員宣布開(kāi)發(fā)GRCop-84最終替代品GRCop-42。高強(qiáng)度，高導(dǎo)電性銅基合金由美國(guó)宇航局MSFC和俄亥俄州美國(guó)宇航局格倫研究中心（GRC）的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建。希望GRCop-42具有更高的導(dǎo)熱性，同時(shí)匹配GRCop-84的強(qiáng)度。

開(kāi)發(fā)多金屬零件的好處是可以利用每種金屬的獨(dú)特屬性（如強(qiáng)度或?qū)嵝裕﹣?lái)創(chuàng)建更強(qiáng)大，更高性能的最終產(chǎn)品。3D打印燃燒室在2018年末到2019年初期間，使用高壓液氧煤油推進(jìn)劑進(jìn)行了測(cè)試，在一系列60秒的點(diǎn)火試驗(yàn)中產(chǎn)生超過(guò)2,000磅的推力。截至目前來(lái)看3D打印燃燒室非常成功。




NASA馬紹爾宇航中心 3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室準(zhǔn)備高溫點(diǎn)火測(cè)試

今年4月，NASA與奧本大學(xué)國(guó)家增材制造中心（NCAME）簽訂了520萬(wàn)美元的合同，以提高其液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，如RS-25航天飛機(jī)主機(jī)（SSME）。同月，它還透露它正在使用3D打印來(lái)改進(jìn)2024年將宇航員送上月球的新型深空太空火箭的脆弱部分。此前在2017年，NASA向西弗吉尼亞大學(xué)（WVU）的研究人員撥款10萬(wàn)美元，用于在國(guó)際空間站（ISS）上探索3D打印二氧化鈦泡沫的應(yīng)用。