NASA 3D打印铝制RAMFIRE箭发动机喷嘴以实现深空探索

2023年10月21日，南极熊获悉，美国国家航空航天局（NASA）成功地进行了3D打印和测试一种新型火箭发动机喷嘴RAMFIRE，该项目作为第四次工业革命的一部分。

△3D打印RAMFIRE喷嘴的热火测试

来自亨茨维尔马歇尔太空飞行中心的NASA工程师与材料开发商Elementum 3D合作，共同研发了新型RAMFIRE喷嘴。通过这一合作，它们成功创造出一种可焊接的铝材料，具备火箭发动机所需的耐高温性能。

由于铝材料的低密度，它能够制造高强度且轻质的零部件。因此，NASA声称它们新型的3D打印RAMFIRE火箭发动机喷嘴相较于传统喷嘴更轻，从而有望为深空任务承载更重的有效载荷。

这一RAMFIRE项目得到了NASA空间技术任务理事会（STMD）的资助。

STMD先进制造首席技术专家John Vickers解释道：“航天减重对于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项目有助于发展新的推进系统、太空制造以及美国宇航局雄心勃勃的月球、火星以及其它地方任务所需的基础设施。”

△NASA工程师Tessa Fedotowsky（左）和Ben Williams在成功进行热火测试后检查RAMFIRE喷嘴

3D打印RAMFIRE火箭发动机喷嘴

该喷嘴内部嵌入了小型通道，用于在运行时冷却喷嘴以防止熔化。此外，这种新型RAMFIRE喷嘴采用了单一3D打印过程，最大程度减少了需要进行粘合的零件数量，并大幅缩短了制造时间。传统的制造方法可能需要数百个独立的零件组装成一个完整的喷嘴。

马歇尔太空飞行中心RAMFIRE项目的首席研究员Paul Gradl评论道：“我们减少了制造过程中所涉及的步骤，这使我们能够在几天内将大型发动机零部件制造成一个整体。”

NASA和Elementum 3D合作开发的新型铝合金被称为A6061-RAM2。这两个合作伙伴还开发了用于激光粉末直接能量沉积（LP-DED）工艺的专用粉末。

为了制造这种喷嘴，RAMFIRE团队与定向能量沉积（DED）专家RPM Innovations（RPMI）展开了合作。RPMI利用新开发的铝材料和专用粉末，以及LP-DED技术进行3D打印。

Gradl补充说：“与专业制造供应商的行业合作有助于推动供应链基础设施，并有助于使增材制造更容易应用于NASA任务，以及更广泛的商业和航空航天领域。”

△使用LP-DED 3D打印RAMFIRE喷嘴

瞄准深空任务

美国宇航局的“月球到火星”计划旨在实现人类在月球上的长期存在，并随后进行人类前往火星的任务。为了能够向深空目的地发送更多货物，NASA声称其新型铝合金在这些任务中将发挥关键作用，用于生产能够承受重型结构载荷的轻型火箭部件。

两个RAMFIRE喷嘴已在马歇尔东试验区进行了多次热火测试，包括使用氧气和液氢以及液氧和液甲烷燃料配置。这些测试在今年早些时候进行，累计启动22次，成功运行时间接近10分钟。压力室超过了825磅每平方英寸（psi）的压力，超出了预期的测试压力。NASA表示，这些测试表明3D打印喷嘴在最苛刻的深空环境中可以有效运行。

Gradl表示：“这个测试系列标志着喷嘴的一个重要里程碑。在经过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。”

除了用于火箭发动机喷嘴，RAMFIRE铝还用于3D打印其它先进的大型部件，用于演示目的。其中包括一个直径36英寸的Aerospike喷嘴，该喷嘴将复杂的整体冷却剂通道与真空夹套罐相结合，用于低温流体应用。

美国宇航局还指出，它正在与商业利益相关者和学术界共享该项目的数据和流程。因此，许多航空航天公司据说正在评估新型铝合金和LP-DED工艺，除了其他应用，卫星部件的生产也被认为是这种新材料的潜在用例。