随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。
如果说Raptor 3 发动机的亮相暗示着3D打印已经成为航天制造主流技术，那么NASA的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目则是推动航天制造技术快速发展的幕后推手之一。
▲ 增材制造火箭发动机的先进性
© 3D科学谷白皮书
美国宇航局（NASA）的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目是一项前沿技术研究，利用增材制造技术，也就是通常所说的3D打印技术，来开发新的合金和制造火箭部件。这个项目由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心主导，通过结合先进的材料科学和制造工艺，旨在提高火箭发动机的性能和可靠性，同时降低成本和制造时间。
保罗·格拉德尔（Paul Gradl）作为该项目的首席研究员，强调了NASA在飞行器设计、测试和集成方面的优势，特别是在极端环境下对材料的应用和创新组件设计。通过深入了解材料的微观结构和特性，NASA能够开发出更适合太空任务需求的组件。
根据3D科学谷，到目前为止，RAMPT项目的一些关键成就包括：
500次3D打印喷射器、喷嘴和燃烧室硬件试射，总计超过16,000秒。
开发全尺寸版本的主力RS-25发动机，预计可将成本降低高达70%，并将制造时间缩短一半。
复合材料的使用，与传统的双金属燃烧室相比，重量减轻了40%。
成功验证了新合金GRCop42，并帮助商业发射提供商Relativity Space在2023年3月发射了第一枚完全3D打印的火箭。
为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。
《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等
发动机组件技术突破
根据3D科学谷《世界上第一个双金属（铜合金-镍基超合金）旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 喷射器，NASA新突破》一文，双金属火箭发动机喷射器是一种利用3D打印技术制造的先进部件，它结合了两种不同金属材料的特性，以提高火箭发动机的性能和效率。这种喷射器通常采用高导热的铜合金（如GRCop-42）来制造喷射器面板，以确保在高热环境下能够维持较低的温度，从而延长喷射器的使用寿命和可靠性34。同时，使用高强度、耐氧化的镍基超合金（如Monel K500）来制造歧管，允许歧管在保持结构完整性的同时，壁厚更小，减轻整体重量，提高火箭发动机的性能。
3D打印技术使得这种双金属结构的制造成为可能，它具有最佳的制造精度、力学性能、表面质量以及复杂结构制造能力3。然而，在制造过程中，确保两种材料之间的精确几何对齐、避免材料交叉污染以及实现高强度双金属结合都是需要克服的技术挑战。
这种双金属喷射器的成功研发和应用，不仅提高了喷射器的性能和可靠性，还为未来的火箭发动机设计提供了新的思路和方法34。它体现了3D打印技术在一体化和轻量化制造方面的优势，推动了更高耐热性能的实现，并提高了火箭发动机的整体性能34。此外，这种结构的成功制造是增材制造技术的重要突破，展示了在材料科学、制造工艺和工程设计方面的创新能力。
尽管多材料SLM选区激光熔融3D打印工艺取得了很大进步，但距离稳定高效批量生产组件仍有一定距离，此类工程化应用的案例仍然相当少。不过，以相对并不高的代价制造出创新的结构，以推动产品的发展，却具有重大意义。
RAMPT 项目不仅开发前沿制造技术，还开发充分理解该技术的手段，无论其应用是什么。这意味着要推进尖端模拟工具，以在微观结构层面确定新合金和复合材料的可行性——评估它们如何应对升空的严酷考验、太空的严寒以及与升空、着陆和长途运输相关的动态应力。
根据3D科学谷《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》，RAMPT项目的第三项关键技术开发是双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。其中一个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。
材料技术突破
例如，NASA 成功交付了一种合金的精制版，称为 GRCop42，这种铜/铬/铌合金来增材制造需要高强度分散和高导电性的零件，该合金是近 40 年前在 NASA Glenn 制造的，它帮助商业发射提供商 Relativity Space 在 2023 年 3 月发射了第一枚完全 3D 打印的火箭。
根据3D科学谷《ODS、铜合金、HR-1、极温耐火合金 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。
GRCop 是铜、铬和铌的组合，这种材料专门针对高强度、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，具备良好的低周疲劳性能，可以防止材料在高温下失效。GRCop 合金的优点是导电率高、高温下强度良好以及操作过程中的稳定性。GRCop 合金通过粉末雾化过程中产生的 Cr2Nb 沉淀物进行弥散强化，并在L-PBF 激光粉末床熔融金属3D打印加工过程中进行精炼。与大多数低合金铜基合金相比，GRCop 合金还具有改进的抗氧化性和抗热白性。GRCop 合金允许热壁温度≥700 °C，具体取决于强度、蠕变和 LCF 要求。
由于推进剂的环境，氧化会导致热烫，氢气会导致氢环境脆化， NASA通过GRCop-42和GRCop-84铜合金来满足这些要求。其中，林德先进材料技术公司和美国国家航空航天局 (NASA) 在2024年签署了GRX-810合金金属粉末的许可协议。根据该协议，林德先进材料技术公司被授予营销和销售 GRX-810 合金的权利。
▲ NASA开发的增材制造合金
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NASA 已使用各种 GRCop-42 和 GRCop-84 制造的火箭发动机燃烧室腔室完成了液氧/氢 (LOX/H2)、液氧/煤油 (LOX/RP-1) 和液氧/甲烷 (LOX/CH4) 热火测试。
GRCop-42的诞生来自于NASA厚积薄发的积累，2014年，NASA就已经开始为GRCop-84开发L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺，并成功建造了各种燃烧室并进行了热火测试。还进行了材料和性能表征。虽然测试表明GRCop-84 具有高强度和良好的 LCF 性能，但仍希望提高导热率。NASA于2018 年开始GRCop-42 的 L-PBF开发激光粉末床熔融金属3D打印工艺，NASA通过材料特性开发、组件演示和热火测试来进行合金的开发迭代。NASA 还鼓励商业和学术界参与的策略是提供公私合作合作机会，其中行业和学术界贡献了高达 25% 的项目开发成本，使他们能够从中获益。截至2023年，超过8家国际供应商正在积极生产GRCop粉末，超过12家商业3D打印服务公司将其作为标准材料选项。
来源：3D科学谷
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