综述：航空航天领域的金属增材制造之二(b部分）(3)

在NASA位于阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center-MSFC)，火箭发动机部件的AM应用正在进行大量的研发。美国宇航局与Stratasys Direct Manufacturing公司合作，利用LPBF技术开发并测试了一种注射器系统。该注射器由Inconel 625制成，具有独特的流动性，只有通过AM技术才能实现。然后，MSFC继续制造和测试由75%的AM组件组成的演示火箭发动机。自2010年以来，NASA已经开发并测试了无数AM组件，例如铜合金(GRCop-42和GRCop-84)燃烧室、液氢和液氧燃料泵、J-2X上的维护端口盖以及带有一体式pogo z挡板的pogo蓄能器组件(图7)。其中一些部件将分别安装在即将面世的空间发射系统下的RS-25液体火箭发动机上。

▲图7 RS-25发动机上的pogo z挡板

美国火箭和导弹推进制造商Aerojet Rocketdyne也一直在评估AM在他们新的火箭发动机AR-1系列中的应用。AR-1旨在取代目前使用的俄罗斯制造的RD-180发动机，其预燃室采用AM方法。预燃室由Mondaloy——一种专有的耐燃镍基高温合金制造的，可以不再使用目前RD-180等富氧发动机上普遍使用的复杂金属涂层工艺。这不是Aerojet Rocketdyne使用AM技术制造和测试的第一个组件。早在2017年，该航天公司使用AM为其RL-10火箭发动机制造并测试了一个铜燃烧室，并制定了AM在空间应用中的重要标准。

阿丽亚娜（Arianne）集团最近制造并完成了全尺寸演示火箭发动机的热火试验，该发动机集成了AM制造的部件，采用了LPBF制造的喷头和燃烧室，分别使用镍基合金和不锈钢材料。作为阿丽亚娜6号开发计划的一部分，这些新的AM制造部件将于2022年搭载阿丽亚娜新一代火箭。

AM应用有时受限于基于L-PBF的机器的构建面积限制，这些机器只能生产最大构建体积的部件(单激光商业系统通常为300–600立方毫米，尽管更大的系统正在开发中)。在常规制造条件下建造的火箭燃料箱和飞机机身通常采用称为等网格薄结构设计（称为 Isogrid）分多部分进行制造，在此过程中会产生大量材料浪费，因为整个等网格设计通常使用铣削技术从较厚的原材料板上加工而成。由于原材料的高度浪费和大型火箭机身所需的长铅板原材料，这导致了该部件极其昂贵。

由于直接能量沉积技术(DED)不受尺寸的限制，较大的液体燃料火箭部件已经开始逐渐使用此技术。一个具体的应用领域是使用DED制造整个燃料箱。使用DED技术，有可能将整个火箭燃料箱印刷成单件或少得多的个件，材料浪费明显减少，所需工具也少得多，从而大大降低这些部件的成本。LockheedMartin公司最近为使用EB-DED(电子束直接能量沉积)建造的卫星燃料箱开发并测试了一种钛圆顶。直径为1.16米的圆顶用作目前正在生产的LM 2100卫星平台上的可变尺寸油箱的盖子。使用这些制造技术，该公司节省了宝贵的生产时间，同时显著减少了材料浪费。美国一航空航天公司——RelativitySpace公司计划使用一种专有合金的AM技术制造他们的整个Terran 1号火箭 (图8)。值得注意的是，该公司计划使用AW-DED建造直径为2米的两用燃料箱和机身，大大减少了材料浪费，并展示和地面测试了探路装置。由于使用这些方法生产的部件在理论上没有高度限制，因此该部件的整个燃料箱可能超过10米高。

▲图8 Relativity Space公司使用AM技术制造Terran 1号火箭

SpaceX在他们的猎鹰9号（Falcon 9）火箭上成功开发并发射了一个AM制造的主氧化剂阀后，继续开发用于他们的Dragon V2飞船的SuperDraco发动机系列。SuperDraco发动机用于任务关键的发射逃生系统，该系统旨在当飞船发射过程中发生紧急情况时，将宇航员运送到安全的地方。该系统采用Inconel合金制成的AM发动机舱，是载人宇宙飞船上重要AM部件的最早应用之一，载人宇宙飞船在Demo-2和 Crew-1 号任务中两次成功地将宇航员送入国际空间站。图9展示了组装好的Superdraco火箭发动机和在热火试验中测试台上的发动机。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0827/678.html