铝制火箭喷管！NASA的里程碑新突破为深空任务铺平道路

|3DScienceValley· 2023/10/21

近日，NASA马歇尔太空飞行中心进行了3D打印喷管的热火测试，该喷管由新型铝合金 6061-RAM2 制成，可承受巨大的温度梯度。这种喷管比传统喷管更轻，为可携带更多有效载荷的深空飞行奠定了基础。

这个喷管是通过NASA 马歇尔太空飞行中心的工程师与一家创业企业 Elementum 3D 合作，采用了Elementum 3D 开发的可焊接的铝合金，与其他金属相比，铝的密度较低，可用于制造高强度、轻质的部件。

定向能量沉积铝合金材料
© NASA

根据 , DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。

航空航天金属3D打印技术分类

新里程杯

NASA的铝合金喷管是一种新的突破，由于铝对极热的耐受性较低且在焊接过程中容易破裂，因此此前，铝通常不用于火箭发动机零件的增材制造。

该项目获得了NASA空间技术任务理事会 (STMD) 的资助，目的是专注于推进轻质、增材制造的铝制火箭喷管。喷管设计有小的内部通道，使喷管保持足够凉爽以防止熔化。

NASA和Elementum 3D首先开发了名为 A6061-RAM2 的新型铝合金，用于构建喷管，另一个商业合作伙伴RPM Innovations (RPMI)，通过 LP-DED 激光粉末定向能量沉积工艺制造 RAMFIRE 喷管。这种新型合金可以在制造能够承受高结构载荷的轻型火箭部件方面发挥重要作用。

此外，位于阿拉巴马州亨茨维尔马歇尔太空飞行中心的真空夹套制造演示罐采用与 RAMFIRE 项目相同的 6061-RAM2 铝材料开发。该组件专为低温流体应用而设计，设计带有一系列壁厚约为0.06英寸的整体冷却通道。

此前，在马歇尔东部试验区，两个 RAMFIRE 喷管使用液氧和液氢以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次热火测试。由于压力室超过 825 磅每平方英寸 (psi)（超过预期的测试压力），喷管成功累积了 22 次启动和 579 秒（即近 10 分钟）的运行时间，这表明喷管可以在最苛刻的深空环境中运行。

高性能应用工艺开发

在对喷管进行一系列严格的热火测试后，证明了该喷管能够承受月球着陆器规模发动机的热、结构和压力负载。除了成功建造和测试火箭发动机喷管外，RAMFIRE项目还通过3D打印RAMFIRE铝材料来制造其他先进的大型部件，目前用于演示目的，其中包括直径为36英寸的气动塞式喷管，具有复杂的整体冷却通道和用于低温流体应用的真空夹套罐。

根据《用于极端环境下的动力推进 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，NASA 通过详细的增材制造工艺和热处理表征以及机械和热物理测试，使常用航空航天合金的各种系列（镍、铜、不锈钢和钢、铝和钛基）在增材制造领域的应用变得成熟。虽然这些合金被积极用于许多推进应用，但仍需要通过集成计算材料工程 (ICME) 和高性能应用的工艺开发来持续进行增材制造合金优化。

现代液体火箭发动机的运行环境十分严酷，其中腔室温度可能超过 3300 °C，腔室和冷却剂压力超过 410 bar，恶劣的腔室条件和薄热壁相结合，导致整个壁的热梯度通常超过 230 °C，从而产生高热应力。除了要求高性能的拉伸和疲劳性能之外，断裂韧性也至关重要，根据环境的不同，可能还需要满足耐腐蚀和耐磨性。其他环境因素，例如辐射、原子氧、紫外线或等离子体，也可能对材料所需的性能提出额外的要求。因此，操作环境决定了合金所需的性能，这些特性源自工艺-微观结构-特性之间的相互关联性。

NASA 和行业合作伙伴正在努力与商业利益相关者和学术界共享数据和流程。多家航空航天公司正在评估这种新型合金和 LP-DED 激光粉末定向能量沉积增材制造工艺，并寻找将其用于制造卫星和其他应用部件的方法。