NASA将会使用大型3D打印技术来制造未来的火箭发动机

3D打印快讯
2021
01/11
09:27
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来源:江苏激光联盟

NASA将会使用大型3D打印技术来制造未来的火箭发动机,目前已经经过测试的两种部件,铜合金燃烧室和使用高强耐氢的钢制造的喷嘴在2020年的火星探索实验中进行了使用。

未来的火箭发动机将会使用大型3D打印技术来制造

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送粉式能量直接沉积技术可以制造大体积的部件——诸如火箭的发动机喷嘴
图解: 同传统的制造工艺相比较,不仅部件价格便宜,而且制造速度快,

美国NASA的阿尔忒弥斯计划(英文:Artemis Program,美国国家航空航天局(NASA)发布了一项280亿美元的宏伟计划,在2024年将首位女性和第二位男性宇航员送上月球),该项计划打算为人类在火星上居住做准备。而增材制造技术,或者说是3Da打印技术,是NASA比较精通的一项技术,在工业界和学术界都是比较活跃的一种用来打印火箭部件的技术,打印的部件将为这些登陆火星作准备。

NASA的快速分析和制造推荐技术项目,正在开发这一先进的增材制造技术来及逆行3D打印火箭的发动机部件,采用激光和粉末来进行。这一技术,称之为喷送粉末直接能量沉积,可大大减小制造成本和减少制造大型,复杂的发动机部件如喷嘴和燃烧室的制造周期。

这一技术的先进性是非常明显地,它会允许我们制造起来非常难困难和非常昂贵的火箭部件,且可以实现同过去相比,以低成本的方式来实现制造。此外,它还将使得公司和啊航天工业可以制造出一样的产品和应用这一技术来制造医疗,传输工具和基础设施等。

该打印技术喷射金属粉末到激光加热造成的熔池中或者熔融金属中。喷送的粉末和激光镜片组合在一起形成金属打印的激光头。这一打印的激光头连接在机器人手臂上,然后按照程序实现设计好的路径来层层堆积。

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喷粉能量直接沉积3D打印技术的工作状态图

该制造技术具有许多的优势,例如可以制造大型的部件,不再受限于制造时的尺寸。该技术同时可以大型形状比较复杂的部件,包括发动机的带内冷却通道的喷嘴。火箭发动机的喷嘴是包含内冷却通道的,可以让低温火箭燃料推进剂通过其内的通道来保证喷嘴在安全的温度进行工作。

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含内冷却通道的复杂的火箭喷嘴设计——可以采用喷粉能量直接沉积技术进行制造。喷嘴的壁和内通道的厚度只有几张纸的厚度

采用传统工艺制造发动机喷嘴是一项非常具有挑战性的工作,并且还会花费很长的时间。喷粉能量直接沉积增材制造技术可以允许我们制造大尺寸的复杂形状的具有内冷却通道的部件,这在以前几乎是不可能的。我们可以显著地减少制造时间和制造成本,同时可以非常容易的制造出内冷却通道的喷嘴和其他关键的火箭部件。

目前他们已经使用喷粉能量直接沉积增材制造技术制造了大型尺寸的NASA火箭发动机喷嘴,经过测量,其直径为40英寸,高度为34英寸,具有完全的内冷却通道。这一喷嘴的制造时间只有30天的时间,在以前,采用传统焊接制造技术则需要至少一年。采用喷粉能量直接沉积增材制造技术的交割完成任务的时间比预期还早了一年的时间。这一目标在2020年已经完成

目前采用这一技术,保证了NASA的航天系统的发射,太空飞船和深空探测任务的完成。包括输送首位女性另外两名男性在2024年之前进行登月,以及建立可持续的空间生存居住站。目前他们正在开展使用喷粉能量直接增材制造技术打印的航天部件的认证工作。目前该技术团队正在构建和评估采用该技术打印的直接为5英尺,高度为7英尺的带有内冷却通道的喷嘴。

使用这一新型的喷粉能量直接沉积技术来制造喷嘴的内壁和其他部件,将会使得航天系统制造的部件可以在原计划的周期内提前完成并减少成本。

经过一系列严苛的热火焰测试,工程师们将会经受分量表版本的喷嘴在同样的 6,000°的燃烧室的温度中和持续的压力下进行测试,这是实际的火箭发动机部件在发射时要经受和耐久性考验和性能测试。

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粉能量直接沉积增材制造的铜合金燃烧室和使用高强耐氢的钢制造的喷嘴正在进行热火焰测试

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某型号的火箭发动机喷嘴的结构图

未来的登月装备将会配备3D打印的火箭发动机部件,这将大为降低制造的成本和减少制造时间。NASA正在积极的投资这一技术,这一技术,在不久的将来,将使登月变成现实。

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经过热火焰验证测试, NASA 已经证明两种喷粉能量直接沉积增材制造的火箭发动机产品——铜合金燃烧室和使用高强耐氢的钢制造的喷嘴——经过了传统制造技术可以通过的飞行的极端传统燃烧室的测试。

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