隨著 NASA 推進(jìn)在月球表面建立長(zhǎng)期棲息地的行動(dòng)計(jì)劃，NASA 的一組推進(jìn)開發(fā)工程師開發(fā)并測(cè)試了 NASA 的第一臺(tái)全尺寸旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（或簡(jiǎn)稱RDRE）美丝，這是一種先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，可以 顯著改變未來推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)建方式源糖。本期替塑，3D科學(xué)谷將與谷友一起來領(lǐng)略NASA劃時(shí)代意義的全尺寸旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)挑戰(zhàn)。

RDRE點(diǎn)火測(cè)試

藍(lán)色到紅色火焰流的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試

美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心的工程師確認(rèn)了在馬歇爾東部試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行的 RDRE 熱火試驗(yàn)的數(shù)據(jù)师晨。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火了十幾次看卦，總持續(xù)時(shí)間將近 10 分鐘。RDRE 與當(dāng)今的推進(jìn)系統(tǒng)相比研神，這種設(shè)計(jì)在使用更少燃料的同時(shí)產(chǎn)生更多動(dòng)力惩凉，并有可能為人類著陸器和行星際飛行器提供動(dòng)力，使其到達(dá)月球和火星等深空目的地纫益。

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RDRE 通過證明其硬件（由增材制造-3D 打印制成）可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行恒襟，同時(shí)承受爆炸產(chǎn)生的極端高溫和高壓環(huán)境揍忍，從而實(shí)現(xiàn)了其主要測(cè)試目標(biāo)弯疾。在全速運(yùn)行時(shí)贾虽，RDRE 在平均腔室壓力為 622 磅/平方英寸的情況下產(chǎn)生超過 4,000 磅的推力近一分鐘，這是該設(shè)計(jì)有記錄以來的最高壓力等級(jí)熙侍。

航空航天增材制造應(yīng)用發(fā)展方向
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RDRE 代表了通過3D打印實(shí)現(xiàn)制造便利性榄鉴、提高推進(jìn)劑比沖和推進(jìn)美國(guó)太空訪問能力方面顯著改進(jìn)的潛力履磨。業(yè)界的興趣從未如此高漲蛉抓，因?yàn)檫@項(xiàng)工作旨在從根本上改進(jìn)和擴(kuò)展人類探索太空的能力，使空間訪問更加可行且更具成本效益剃诅。特別是HLS（人類著陸系統(tǒng)）巷送、SLS（太空發(fā)射系統(tǒng)）和月球到火星的技術(shù)。

正如3D科學(xué)谷視頻《3D打印為支點(diǎn)矛辕，SpaceX撬起太空競(jìng)賽新規(guī)則笑跛！》所展示的，3D打印在成就新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用聊品。

提高比沖的 RDRE噴射器元件

液體推進(jìn)系統(tǒng)比沖的進(jìn)步在很大程度上也取決于RDRE的噴射器設(shè)計(jì)飞蹂。RDRE旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的一大技術(shù)挑戰(zhàn)是需要在?壓爆轟通過噴射器孔口時(shí)減少燃燒產(chǎn)物的回流可能性。需要新的噴射器元件設(shè)計(jì)與制造方案翻屈，能夠有效地阻止噴射器表面的爆炸陈哑，遠(yuǎn)離噴射器面的爆炸將降低噴射器孔口將經(jīng)歷的總壓力梯度，從而顯著減少回流奋肄，每一項(xiàng)都需要降低整體操作壓力以滿足更合理的液體發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求轿南。回流或回流阻力的可視化和測(cè)量在這方面非常有幫助逃口。

傳統(tǒng)的噴嘴通常涉及在中心體和整流罩或外體噴嘴中使用類似氣塞的塞式噴嘴耀即。而RDRE應(yīng)對(duì)超?性能爆震噴射器帶來的挑戰(zhàn)，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模 (CFD) 和分析以及冷流測(cè)試编苛，最后是熱火測(cè)試。解決這些挑戰(zhàn)的解決方案為 NASA 和行業(yè)合作伙伴提供一條可行的道路娜摇，以從根本上提?燃燒裝置的性能，從而實(shí)現(xiàn)未來的任務(wù)架構(gòu)袄洁，包括月球到火星收罢。

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根據(jù)3D科學(xué)谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)可重復(fù)使用的推力室組件》一文晤泌，除了鈦基或鎳基合金，NASA的HR-1是用于高溫操作環(huán)境下（例如液體火箭推力室的噴射器）的高強(qiáng)度合金耕姊，適用于多種3D打印-增材制造技術(shù)桶唐。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究栅葡，目前的市場(chǎng)上各種噴射器設(shè)計(jì)充分利用了3D打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部形狀的特點(diǎn)，不管是多管氣體分配回路尤泽，還是延伸到燃燒氣體流場(chǎng)中的冷卻系統(tǒng)欣簇，亦或是帶中空壁熱屏蔽結(jié)構(gòu)的燃料噴射器，3D打印都在助力燃料噴射器實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定高效的性能坯约。3D打印不僅避免了多個(gè)零部件的組裝需要熊咽，還可以成就更為復(fù)雜的形狀，使得傳統(tǒng)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)闹丐。

耦合的燃燒室腔室和噴射器配置

RDRE的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要設(shè)計(jì)和制造耦合的燃燒室腔室和噴射器配置横殴，以理想地產(chǎn)生推力并將損失降至最低。

制造火箭推力室的燃燒室所用的銅合金GRCop-42作為具有更高導(dǎo)電性的高強(qiáng)度合金而得到了應(yīng)用卿拴，銅合金由于其高導(dǎo)熱性而被期望用于腔室襯里衫仑，這帶來高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強(qiáng)度溫度區(qū)域中。GRCop-42可以實(shí)現(xiàn)更高的熱導(dǎo)率堕花，腔室配有整體通道满戒，這些通道完全封閉，可以達(dá)到每種推力類別所確定的厚度稳荒。NASA還開發(fā)了生產(chǎn)封閉壁銅合金襯里的能力蕴黎，使復(fù)合材料成為腔室護(hù)套作為可行且理想的選擇。

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燃燒室與噴管耦合

燃燒室與噴管集成的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一是開發(fā)雙金屬增材制造乓收，雙金屬的開發(fā)集中在銅合金（特別是GRCop-42或GRCop-84）和高溫合金的耦合上瞻坊。雙金屬的開發(fā)集中在徑向沉積上，第二個(gè)方面是燃燒室和噴管之間的軸向接頭愧棋。軸向沉積發(fā)展的主要目標(biāo)是表征和定義適當(dāng)?shù)慕缑嫠璧牟牧稀?/p>

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通過DED定向能量沉積增材制造工藝在GRCop-42銅腔室的后端沉積雙金屬材料兼峻，形成帶雙金屬軸向接頭的火箭推力室噴管，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)冷卻罗和，從而解決了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和螺栓連接設(shè)計(jì)的接口問題神深，隨后通過碳纖維聚合物基復(fù)合材料（PMC）外包裝將整個(gè)推力室總成（TCA）進(jìn)行外包裝。

L-PBF基于粉末床的選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)加工的銅合金燃燒室與DED定向能量沉積3D打印的集成中存在一些挑戰(zhàn)功哮，例如仅谍，使用超級(jí)合金進(jìn)行噴管焊接制備的最佳熱處理（即均質(zhì)化和固溶化）所需的溫度要高于GRCop-42銅合金所能“容忍”的溫度。這需要對(duì)材料特性產(chǎn)生一些影響援奢。集成過程中遇到的其他挑戰(zhàn)是操作順序兼犯，其中復(fù)合材料護(hù)套的溫度受到限制，大多數(shù)焊接和機(jī)加工操作必須在包裹前進(jìn)行集漾，以免造成損壞切黔。

NASA在進(jìn)行適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)管理的同時(shí)汲取了經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。研發(fā)人員在GRCop-84銅合金推力室燃燒室的后端直接通過DED定向能量沉積3D打印技術(shù)加工JBK-75材料制造了燃燒室噴管具篇。雙金屬接頭是通過L-PBF基于粉末床的選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)加工的纬霞，研發(fā)人員嘗試了各種將這些制造過程與復(fù)雜的接頭相結(jié)合的可行性凌埂，吸取了一些教訓(xùn)，并對(duì)接縫進(jìn)行一些重新設(shè)計(jì)诗芜，以提供足夠的材料并避免過度加熱瞳抓。

為了解決散熱問題，NASA與行業(yè)合作伙伴共同開發(fā)了薄壁通道的設(shè)計(jì)伏恐，通過DED定向能量沉積3D打印技術(shù)加工內(nèi)部冷卻通道孩哑。NASA積累了大量的經(jīng)驗(yàn)以選擇可能的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，各種加工路徑策略以及確定的過程幾何形狀限制脐湾。

更多技術(shù)臭笆、更多可能

除了PBF，DED技術(shù)隶秒，NASA還將冷噴涂（CSD）技術(shù) 用于在 7,999 磅級(jí)的燃燒室外部添加 NASA 的 HR-1 材料（一種鎳基合金，可在極端環(huán)境中抵抗腐蝕摆咽、氧化和脆化）的保護(hù)套媒敲。

RDRE 熱火試驗(yàn)測(cè)試期間實(shí)現(xiàn)的其他里程碑包括深度節(jié)流和內(nèi)部點(diǎn)火的成功性能。使該技術(shù)更接近于用于未來的飛行器种功，這是使太空探索更具可持續(xù)性的重要組成部分透鹊。由于 NASA 最近在 RDRE 方面取得成功，NASA 工程師正在進(jìn)行后續(xù)工作共吞，以開發(fā)完全可重復(fù)使用的 10,000 磅級(jí) RDRE召期，以確定與傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比的性能優(yōu)勢(shì)。

 參考資料：

1. NASA SBIR 2022 Phase l Rotating Detonation Rocket Engines

2. 深度剖析NASA采用多合金增材制造和復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)可重復(fù)使用的推力室組件

（3D科學(xué)谷）

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