采用3D打印直接制造火箭推力室在航空航天領(lǐng)域是一個(gè)熱門話題，像民營(yíng)火箭公司Launcher、Rocket Lab更是以此為賣點(diǎn)大力推動(dòng)本公司采用該技術(shù)發(fā)展商業(yè)航空的步伐。然而采用3D打印直接制造推力室多是采用成型尺寸有限的SLM技術(shù)，如Launcher全球最大的一體式3D打印火箭燃燒室高85厘米、直徑40厘米，Spacex龍飛船推力室采用EOS打印機(jī)制造，尺寸也可見一斑。
NASA采用激光能量沉積技術(shù)制造大型火箭推力室
我們此前曾分析過(guò)3D打印技術(shù)在制造火箭再生冷卻推力室方面的巨大優(yōu)勢(shì)，而SLM技術(shù)在制造大型火箭推力室方面顯然心有余而力不足，發(fā)展大型推力室3D打印制造技術(shù)正在獲得關(guān)注。2019年4月，美國(guó)航天局啟動(dòng)了名為RAMPT的項(xiàng)目，以開發(fā)新的設(shè)計(jì)和制造方法，改善燃燒室和噴嘴性能，同時(shí)降低成本。該項(xiàng)目主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)最重的部件，它們也是今天生產(chǎn)的最昂貴的部件。NASA希望充分整合新的制造工藝，包括3D打印，對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試，在此背景下，NASA采用激光能量沉積3D打印技術(shù)制造了直徑1米、高度0.9米的一體化冷卻通道推力室。
激光能量沉積過(guò)程及零件表面質(zhì)量
該推力室的制造過(guò)程僅花費(fèi)30天，而如果采用傳統(tǒng)的焊接方法通常需要一年時(shí)間。推力室內(nèi)部集成了所必須的冷卻通道，3D打印無(wú)疑并不會(huì)增加制造難度。
從材料方面來(lái)說(shuō)，推力室的制造材料均是來(lái)源于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的傳統(tǒng)銅合金。2014年，NASA對(duì)其GRCop-84實(shí)施SLM用粉改造，此前它一直被用于粉末冶金。2019年，NASA成功完成GRCop-42粉末的改造和工藝開發(fā)，該材料旨在替代GRCop-84，它可以在保證同等高強(qiáng)度的前提下，大幅提高導(dǎo)熱系數(shù)，而且它比當(dāng)前燃燒室內(nèi)襯用合金NARloy-Z的導(dǎo)熱率還要高。此外，為滿足液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件對(duì)耐氫、高導(dǎo)電，良好的低周疲勞性能以及在高熱通量環(huán)境中通道冷卻噴嘴的高伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度要求，NASA還對(duì)傳統(tǒng)的HR-1材料進(jìn)行了改造，開發(fā)出了可用于增材制造的新型高強(qiáng)度Fe-Ni基超合金。
3D打印的大型火箭推力室
3D打印的大型火箭推力室
大型火箭發(fā)射過(guò)程
激光能量沉積相比SLM來(lái)說(shuō)重要意義不僅僅是可以把零件最大，而且還可以進(jìn)行多材料打印。推力室除了銅合金材料的內(nèi)襯，還有鎳基合金的外壁。采用SLM制造的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)可能還需要通過(guò)噴涂、熔覆等類似工藝實(shí)現(xiàn)鎳基合金的復(fù)合，但激光能量沉積技術(shù)則可以同時(shí)完成整個(gè)組件的一體化制造。
