美國宇航局NASA和衛(wèi)星發(fā)射公司Virgin Orbit已經(jīng)為火箭發(fā)動機生產(chǎn)了一個可用的3D打印燃燒室。該組件采用以銅為主的復合金屬材料制成，旨在推動商業(yè)空間領(lǐng)域3D打印的應用，并降低未來NASA任務的成本。

作為持續(xù)開發(fā)過程的一部分，最新的3D打印燃燒室成功完成了MSFC的測試射擊，可提供高達2,000磅的推力。燃燒室是火箭發(fā)動機的關(guān)鍵部件，推進劑在燃燒室混合并點燃，產(chǎn)生高達2760°C的極高溫。這需要復雜的內(nèi)部冷卻通道，其中充滿冷卻至絕對零度以上低于38°C的氣體。復雜的冷卻過程使燃燒室成為最難開發(fā)的發(fā)動機部件之一，同時保持低成本和交付周期。




GRCo-84材料 3D打印的燃燒室零部件

根據(jù)NASA高級工程師和Virgin Orbit項目負責人Paul Gradl的說法，“過去制造，測試和交付傳統(tǒng)燃燒室需要數(shù)月時間。現(xiàn)在我們可以大大減少這個時間。3D打印可以改進傳統(tǒng)工藝，提供了新的設(shè)計和性能，并提供了一個高度耐用的硬件?！?br />
此項目增加了設(shè)計的復雜性，也面臨3D打印多金屬與銅合金組件的挑戰(zhàn)。銅由于其高導熱性，優(yōu)異的蠕變性和高溫強度以及經(jīng)濟性而在航空航天工業(yè)中廣泛采用。然而，由于其物理和化學性質(zhì)，銅已被證明是一種難以用于增材制造的材料，因為它遠超過激光束施加的熱量。

為了打造多金屬燃燒室，Virgin Orbit工程師使用了經(jīng)過驗證的NASA添加劑銅合金GRCop-84，該合金于2014年開發(fā)，用于在腔室內(nèi)部排列。然后用Virgin Orbit的混合添加/減成機打印材料，該機器應用第二個雙金屬超合金夾套，然后將零件加工到正確的尺寸。今年早些時候，美國宇航局的研究人員宣布開發(fā)GRCop-84最終替代品GRCop-42。高強度，高導電性銅基合金由美國宇航局MSFC和俄亥俄州美國宇航局格倫研究中心（GRC）的團隊創(chuàng)建。希望GRCop-42具有更高的導熱性，同時匹配GRCop-84的強度。

開發(fā)多金屬零件的好處是可以利用每種金屬的獨特屬性（如強度或?qū)嵝裕﹣韯?chuàng)建更強大，更高性能的最終產(chǎn)品。3D打印燃燒室在2018年末到2019年初期間，使用高壓液氧煤油推進劑進行了測試，在一系列60秒的點火試驗中產(chǎn)生超過2,000磅的推力。截至目前來看3D打印燃燒室非常成功。




NASA馬紹爾宇航中心 3D打印火箭發(fā)動機燃燒室準備高溫點火測試

今年4月，NASA與奧本大學國家增材制造中心（NCAME）簽訂了520萬美元的合同，以提高其液體火箭發(fā)動機的性能，如RS-25航天飛機主機（SSME）。同月，它還透露它正在使用3D打印來改進2024年將宇航員送上月球的新型深空太空火箭的脆弱部分。此前在2017年，NASA向西弗吉尼亞大學（WVU）的研究人員撥款10萬美元，用于在國際空間站（ISS）上探索3D打印二氧化鈦泡沫的應用。