作為阿爾忒彌斯計(jì)劃的一部分,美國國家航空航天局(NASA)正在開發(fā)更輕、更高效的液體火箭引擎部件,用于未來的月球、火星等任務(wù)。
推力室組件是火箭發(fā)動機(jī)最昂貴的部件,因?yàn)樗鼈兎浅?fù)雜,需要很長時(shí)間來制造,同時(shí)它們也是火箭發(fā)動機(jī)中最重的部件,是名副其實(shí)的“燒錢”。為此,NASA與阿拉巴馬州奧本大學(xué)合作開展了快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)(RAMPT)項(xiàng)目,旨在尋找一種能夠提高火箭推力室組件性能,降低生產(chǎn)成本的制造方法。
RAMPT項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用金屬粉末和激光來3D打印火箭發(fā)動機(jī)部件,這項(xiàng)技術(shù)被稱為DED定向能量沉積(blownpowderdirectedenergydeposition,俗稱送粉或送絲),可以降低大型復(fù)雜發(fā)動機(jī)部件(如噴嘴和燃燒室等)的成本和交貨時(shí)間。
圖片來源 : 美國國家航空航天局 NASA
這項(xiàng)3D打印技術(shù),將金屬粉末注入激光加熱的熔融金屬池或熔池中。吹粉噴嘴和激光光學(xué)元件集成在打印頭中。打印頭安裝在機(jī)器人上,并由計(jì)算機(jī)控制,一層層打印堆疊沉積金屬材料。這種制造方法具有許多優(yōu)點(diǎn),包括能夠生產(chǎn)非常大的零件,也可以用于打印非常復(fù)雜的零件,包括帶有內(nèi)部冷卻液通道的發(fā)動機(jī)噴嘴,使低溫推進(jìn)劑穿過通道,將噴嘴溫度保持在安全范圍內(nèi)。
位于阿拉巴馬州漢斯維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心RAMPT項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員PaulGradl說:“制造噴嘴,對于傳統(tǒng)工藝有著很大的挑戰(zhàn)性,而且可能需要很長時(shí)間。DED定向能量沉積技術(shù)允許我們建造具有復(fù)雜內(nèi)部特征的超大型部件,在以前這是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們能夠顯著減少與制造通道冷卻噴嘴和其他關(guān)鍵火箭部件相關(guān)的時(shí)間和成本。傳統(tǒng)方法需要大約兩年的時(shí)間,而這種方法只需要幾個(gè)月。它還大大減少了零件數(shù)量,因?yàn)樾枰獑为?dú)生產(chǎn)的零部件更少?!?/p>
RAMPT項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在今年打印出迄今為止最大的噴嘴,直徑40英寸,高度38英寸,帶有一體化集成的冷卻通道。傳統(tǒng)焊接方法需要1年的時(shí)間,而3D打印只用了30天。完成時(shí)間比計(jì)劃提前了一年。
此外,RAMPT項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還將3D打印銅燃燒室的外殼換成了復(fù)合材料。這種由碳纖維制成的薄外殼為燃燒室提供了結(jié)構(gòu)支撐,與金屬外殼相比,它將重量減少了50%。
RAMPT項(xiàng)目正在推進(jìn)的另一種制造方案是“雙金屬接頭”,可以減少推力室組裝的重量和成本,無需額外的金屬接頭或螺栓就能將銅燃燒室直接熔合到噴嘴上。這種直接熔合的方法可以減少推力室組裝的整體重量,因?yàn)楣こ處焸儫o需使用那些重型金屬螺栓和接頭。
關(guān)于阿爾忒彌斯(Artemis)計(jì)劃
2019年,美國國家層面宣布并要求NASA執(zhí)行重返月球計(jì)劃,將在2024年將兩名航天員(一位女性一位男性)運(yùn)送到月球南極,這個(gè)計(jì)劃就是“阿爾忒彌斯”計(jì)劃。它包括三個(gè)階段:第一階段(Artemis1),計(jì)劃于2020年下半年,由安裝在“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)重型火箭上的“獵戶座”飛船圍繞月球進(jìn)行為期3周的無人飛行,然后返回地球;在第二階段(Artemis2),計(jì)劃在2023年完成載人飛行;在第三階段(Artemis3),NASA希望在2024年可以讓宇航員登上月球。長期來看,阿爾特彌斯計(jì)劃希望到2028年建立一個(gè)月球殖民地,這是完成載人火星任務(wù)的關(guān)鍵步驟。
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