使用创新的 NASA 合金发射 3D 打印火箭

3 月，Relativity Space Terran 1 火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队发射升空，照亮了夜空。这是首次发射完全由 3D 打印部件制成的测试火箭，高 100 英尺，宽 7.5 英尺。作为增材制造的一种形式，3D 打印是增强能力和降低成本的关键技术。Terran 1 包括九个由创新铜合金制成的增材制造发动机，其温度接近 6,000 华氏度。

根据该机构的游戏规则改变开发计划，在克利夫兰的 NASA 格伦研究中心创建了这个被称为格伦研究铜 (GRCop) 或 GRCop 的铜基合金系列，旨在用于高性能火箭发动机的燃烧室。GRCop 是铜、铬和铌的组合，针对高强度、高导热性、高抗蠕变性进行了优化——这在高温应用中允许更大的应力和应变——以及良好的低周疲劳——这可以防止材料在 900 度以上失效华氏温度。与传统铜合金相比，它们可承受高达 40% 的温度，这导致了更高性能的组件和可重复使用性。

在 20 世纪 80 年代后期，美国宇航局想要开发一种发动机，用于在近地轨道上操纵航天器，该发动机可以承受多次发射。火箭发动机在其运行的设计和环境中遇到复杂的挑战，包括多次启动和关闭，从而导致关键部件的磨损循环。 

David Ellis 博士在航天飞机时代作为 NASA 支持的研究生开发了 GRCop 系列合金。在他的整个职业生涯中，他继续使合金及其应用成熟。

“当时，航天飞机主发动机燃烧室衬里通常在执行一到五次任务后更换，”Ellis 解释道。“我们的研究能够表明，GRCop-84 可以轻松实现 100 次维护服务之间任务和 500 次发动机寿命任务的目标。”

在多年的合金开发过程中，Ellis 和他的团队参与了多个项目和计划，例如 NASA 的快速分析和制造推进技术(RAMPT)，以推进不同版本的 GRCop 合金。最近的迭代名为 GRCop-42，使用多种增材制造方法为火箭发动机制造单件和多材料燃烧室和推力室组件。这些工艺提高了性能，同时显着降低了推力室部件的重量和成本。

NASA 发现 GRCop 合金与最新的增材制造方法配合得很好。激光粉末床融合和定向能量沉积等现代制造方法是两种可用于为许多航空航天应用制造 GRCop 部件的方法，例如 Terran 1 火箭发动机。

在激光粉末床融合中，3D 计算机模型被数字化地切成薄层。然后，一台类似于打印机的粉床机器开始将一层薄薄的粉末铺展并熔合在另一层上，重复数千次以形成一个完整的部件。这种将层粘合在一起的过程导致材料强度与锻造金属相当。这种方法的优点是可以创建精细的零件，例如用于燃烧室和喷嘴的喷嘴和冷却通道。 

定向能量沉积 (DED)工艺使用激光来创建熔池。然后将粉末吹入熔池并冷却形成固体材料。机器人的 3D 运动指导构建过程，以使用激光和吹塑粉末创建整个零件。与激光粉末床熔合相比，DED 工艺可生产更大的形状和组件，但细节较少。  

“诸如 RAMPT 之类的开发项目可以促进商业空间、工业和学术界使用的新合金和工艺的发展，”位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的首席工程师 Paul Gradl 说。“NASA 承担了开发风险，并通过认证使早期材料和工艺概念的过程变得成熟。将 GRCop-42 合金注入商业空间是 NASA 主导的创新如何提升行业能力并为美国不断发展的太空经济做出贡献的另一个很好的例子。”

根据一项可报销的太空法案协议，NASA 向 Relativity Space 提供了技术专长，使 GRCop-42 从开发阶段转变为用于发射 Terran 1 火箭的飞行就绪产品。Relativity Space 已经展示了这些性能更高的火箭发动机部件，这些部件是使用 GRCop 合金通过增材制造生产的，可用于未来的月球、火星和其他地方的任务。

Game Changing Development 是 NASA 空间技术任务理事会的一部分，该理事会为 NASA 当前和未来的任务开发新的跨领域技术和能力。