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NASA开辟技术新天地 3D打印火箭发动机零件
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增材制造技术是有助于NASA继续探月行动,甚至维持火星探测人员生存的众多技术之一。发动机是由大量不同材料制成的复杂零件组装而成,其提供的推力为火箭提供动力。增材制造具有降低火箭零件制造时间和成本的潜能,如火箭燃烧室铜合金内衬,在火箭燃烧室内超冷推进剂被混合并加热到将火箭送到太空所需的极端温度。在纸一样厚的铜合金内衬壁里面,温度激增到2760℃,通过气体循环,将内衬壁外面的温度冷却到绝对零度以上100℃以下,来防止熔化,铜合金内衬是专为实现这一目的而制造。为了使气体循环,在燃烧室内衬内、外壁之间建造了200多条复杂通道。
这种具有复杂内部几何特征的小通道对NASA增材制造团队带来挑战。马歇尔太空飞行中心材料与加工实验室采用其选择性激光熔融设备融合了8255层铜合金粉末,在10天零18小时的时间内制造了燃烧室内衬。在制造燃烧室内衬之前,材料工程师建造了几个其他试验件,对材料进行了表征,且设计创造了铜合金增材制造工艺。铜合金具有极好的导热性,这也是铜合金作为发动机燃烧室及其他零件内衬理想材料的原因。然而,这种属性却为铜合金增材制造带来挑战,因为激光很难连续熔化铜合金粉末。
目前,仅有少量铜合金火箭零件的可采用增材制造技术来制造。因此,NASA正在通过3D打印一个火箭零件来开辟技术新天地,这一组件必须经受极端高温和低温,且具有复杂的冷却通道,该通道是建造在内壁厚度为铅笔斑痕的外部上的。该零件是由NASA格伦研究中心的材料科学家创造的GRCo-84铜合金建造而成。格伦研究中心广泛的材料表征有助于验证3D打印的工艺参数,确保建造质量。格伦研究中心将开发材料机械性能的广泛数据库,用于指导未来的3D打印火箭发动机设计。
制造铜合金发动机燃烧室内衬仅仅是低成本火箭上面级推进项目的第一步,该项目由NASA空间技术任务部的颠覆性开发计划资助。NASA的颠覆性计划资助那些将变革未来太空活动的技术开发,包括NASA的探月计划。对于工程人员而言,项目的下一步是将铜合金内衬运送到NASA的兰利研究中心,采用电子束自由成形在铜合金内衬外部直接沉积镍合金结构外壳。之后,预计于今年夏季在马歇尔飞行中心进行发动机部件的热点火测试,以确定在模拟的极端温度和压力条件下,发动机的运行情况。
美国矢志研发先进发动机或与俄美交恶有关
长期以来,美国在航空航天大推力发动机技术方面需要向俄罗斯“弯腰”。最近,美国联合发射联盟公司宣称,美国进口俄制RD-180发动机已有15年的历史,期间从来没有发生过供应链中断问题,在世界航天领域被视为国际合作典范。虽然该发动机性能可靠、价格便宜、供货稳定,但事关美国国家安全的发射任务却依赖俄罗斯的发动机,一直都是美国政府的隐忧。随着乌克兰局势持续紧张,美国不断升级制裁措施。俄罗斯也不示弱,一度借威胁禁止俄制RD-180发动机用于美国航天发射任务来回击美国制裁。
由美国航天专家组成的一个委员会对于在不使用俄制RD-180发动机条件下的美国发射情况进行了展望。委员会发现,失去俄制RD-180发动机将会导致31项任务的延迟,损失多达50亿美元,另外还会对空军长期的国家安全发射合同竞争造成重要影响。鉴于“宇宙神”-5火箭在美国有效载荷发射任务中的重要地位,以及新型液体火箭发动机研制一般需要数年时间,寻找RD-180替代方案成为美国当前的一个紧迫事项。
为了提高美国工业竞争力,美国制造商将可使用由马歇尔飞行中心管理的NASA材料和加工信息系统中的数据。该项目负责人称,其目标是将火箭发动机零件的建造速度提高10倍,成本降低50%以上。项目团队不仅仅是试着制造和测试一个零件,而是正在开发一种可重复的工艺,使工业界可采用该工艺制造具有先进设计的发动机零件。最终目标是提高火箭发动机建造的经济可承受性。
- 责任编辑:孙武
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