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NASA成功测试采用多个3D打印复杂部件的火箭发动机

  近日,NASA成功对一台采用多个3D打印复杂部件的火箭发动机进行了测试,该测试采用低温液氢和液氧燃料,产生了2万磅的推力,这也意味着向实现全3D打印的高性能火箭发动机又迈进了一步。

  增材制造(或3D打印)技术是提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,将在未来太空探索中发挥更大的作用。未来的计划包括对采用液氧和甲烷推进剂的发动机进行测试,这是用于火星登陆器的重要推进剂,因为火星上可能存在甲烷和氧气。

  NASA马歇尔太空飞行中心项目经理伊丽莎白·罗伯逊说:“我们利用3D打印技术制造了大约75%的火箭发动机零部件,并对它们进行测试。将通过测试的3D打印涡轮泵、喷油器和阀门放在一起进行测试,可以得出,3D打印一台可用于多用途的发动机是完全有可能的,它可以用于登陆器、空间推进系统或者上面级火箭发动机。”

  在过去的三年里,马歇尔团队一直与各厂商合作开发包括涡轮泵、喷油器在内的3D打印零部件,并分别对它们进行了测试。这是首次将这些部件放在一起,作为一台真正的发动机进行测试,只是没有像常规的发动机那样将它们封装在一起而已。

  “以工程术语来说,这就是所谓的实验机,”测试负责人解释说,“重要的是,这些部件与常规的发动机以相同的方式工作,需要承受火箭发动机内极端的温度和压力。涡轮泵的转速可达每分钟90000转(rpm),而最终使推力室产生超过20000磅的推力,像这样的发动机可以为火箭或火星探测器提供所需的推力。”

  NASA共进行了七项测试,最长的一项持续了10秒。在测试过程中,3D打印的验证机承受了飞行火箭发动机产生推力时所有的极端环境,其中燃料燃烧时温度超过6000华氏度(3315摄氏度),主要用于提供液氢燃料的涡轮泵可承受低于400华氏度(零下240摄氏度)的温度。这些测试使用的是航天飞船推进系统中常见的低温液氢和液氧推进剂。虽然甲烷和氧气被证明是更加适合用于火星探测的推进剂,但采用低温液氢和液氧推进剂能够产生最极端的温度并且使零部件暴露在低温液氢中(这可能会导致脆化),从而能够测试3D部件的极限性能。该团队还计划采用甲烷以及对冷却燃烧室、喷嘴以及涡轮泵等其他关键部件进行测试。

  “NASA进行这些测试的主要目的是降低使用增材制造技术的成本和风险,因为这是一种相对较新的技术。”罗伯逊说,“我们通过这个项目所获得的经验将可以与美国公司以及我们的合作伙伴分享。”

  上述这些零部件均采用选择性激光熔融工艺制造,其中,与采用传统的焊接和装配工艺制造的泵相比,3D打印的涡轮泵零部件数量减少了45%,而喷油器则比传统方法制造的减少了200多个零部件,并且其性能也是采用其他方法无法实现。对于阀门等复杂零部件,它的生产周期通常需要一年以上,而采用3D打印技术则可将其缩短至几个月的时间。

  马歇尔的推进设计师表示,这种新的制造工艺扩大了设计空间,从而可以设计出传统机械加工或铸造方法无法实现的几何形状,例如,在这台发动机的阀门设计中,在单个零件上采用了更加有效的结构,从而实现了性能的优化。

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