近日，NASA成功對一臺采用多個3D打印復(fù)雜部件的火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，該測試采用低溫液氫和液氧燃料，產(chǎn)生了2萬磅的推力，這也意味著向?qū)崿F(xiàn)全3D打印的高性能火箭發(fā)動機(jī)又邁進(jìn)了一步。
增材制造（或3D打印）技術(shù)是提高航天器設(shè)計和制造能力的一項關(guān)鍵技術(shù)，將在未來太空探索中發(fā)揮更大的作用。未來的計劃包括對采用液氧和甲烷推進(jìn)劑的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試，這是用于火星登陸器的重要推進(jìn)劑，因為火星上可能存在甲烷和氧氣。
NASA馬歇爾太空飛行中心項目經(jīng)理伊麗莎白·羅伯遜說：“我們利用3D打印技術(shù)制造了大約75%的火箭發(fā)動機(jī)零部件，并對它們進(jìn)行測試。將通過測試的3D打印渦輪泵、噴油器和閥門放在一起進(jìn)行測試，可以得出，3D打印一臺可用于多用途的發(fā)動機(jī)是完全有可能的，它可以用于登陸器、空間推進(jìn)系統(tǒng)或者上面級火箭發(fā)動機(jī)。”
在過去的三年里，馬歇爾團(tuán)隊一直與各廠商合作開發(fā)包括渦輪泵、噴油器在內(nèi)的3D打印零部件，并分別對它們進(jìn)行了測試。這是首次將這些部件放在一起，作為一臺真正的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試，只是沒有像常規(guī)的發(fā)動機(jī)那樣將它們封裝在一起而已。
“以工程術(shù)語來說，這就是所謂的實驗機(jī)，”測試負(fù)責(zé)人解釋說，“重要的是，這些部件與常規(guī)的發(fā)動機(jī)以相同的方式工作，需要承受火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)極端的溫度和壓力。渦輪泵的轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘90000轉(zhuǎn)（rpm），而最終使推力室產(chǎn)生超過20000磅的推力，像這樣的發(fā)動機(jī)可以為火箭或火星探測器提供所需的推力。”
NASA共進(jìn)行了七項測試，最長的一項持續(xù)了10秒。在測試過程中，3D打印的驗證機(jī)承受了飛行火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生推力時所有的極端環(huán)境，其中燃料燃燒時溫度超過6000華氏度（3315攝氏度），主要用于提供液氫燃料的渦輪泵可承受低于400華氏度（零下240攝氏度）的溫度。這些測試使用的是航天飛船推進(jìn)系統(tǒng)中常見的低溫液氫和液氧推進(jìn)劑。雖然甲烷和氧氣被證明是更加適合用于火星探測的推進(jìn)劑，但采用低溫液氫和液氧推進(jìn)劑能夠產(chǎn)生最極端的溫度并且使零部件暴露在低溫液氫中（這可能會導(dǎo)致脆化），從而能夠測試3D部件的極限性能。該團(tuán)隊還計劃采用甲烷以及對冷卻燃燒室、噴嘴以及渦輪泵等其他關(guān)鍵部件進(jìn)行測試。
“NASA進(jìn)行這些測試的主要目的是降低使用增材制造技術(shù)的成本和風(fēng)險，因為這是一種相對較新的技術(shù)。”羅伯遜說，“我們通過這個項目所獲得的經(jīng)驗將可以與美國公司以及我們的合作伙伴分享。”
上述這些零部件均采用選擇性激光熔融工藝制造，其中，與采用傳統(tǒng)的焊接和裝配工藝制造的泵相比，3D打印的渦輪泵零部件數(shù)量減少了45%，而噴油器則比傳統(tǒng)方法制造的減少了200多個零部件，并且其性能也是采用其他方法無法實現(xiàn)。對于閥門等復(fù)雜零部件，它的生產(chǎn)周期通常需要一年以上，而采用3D打印技術(shù)則可將其縮短至幾個月的時間。
馬歇爾的推進(jìn)設(shè)計師表示，這種新的制造工藝擴(kuò)大了設(shè)計空間，從而可以設(shè)計出傳統(tǒng)機(jī)械加工或鑄造方法無法實現(xiàn)的幾何形狀，例如，在這臺發(fā)動機(jī)的閥門設(shè)計中，在單個零件上采用了更加有效的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了性能的優(yōu)化。