Part2: 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

增材制造(AM)为具有复杂内部特征的精密部件(例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室)带来了重大的设计和制造机会。

除了减轻重量并实现性能优化外,3D打印技术还可以显着节省成本并缩短制造周期。本期,3D科学谷针对美国NASA宇航局正在开发的一个名为“快速分析和制造推进技术”(RAMPT)的项目,分次(本文为第二篇Part2)与谷友共同深度了解NASA的RAMPT项目如何在LCUSP项目的基础上吸收其精华,进行了又一次的设计、材料与加工工艺方面的精进创新

原创式创新道路曲折且艰险,然而3D打印行业的发展是由技术应用的强度来驱动的,也就是说没有应用无法真正发展3D打印行业,希望这一系列的分享起到抛砖引玉的作用,让我们一起来感知创新所需要的文化内核及系统性的战略支持

block 材料与工艺的双重进步

block 控制变形与收缩

3D科学谷在Part1第一篇中分享过火箭推力室的结构:喷注器、燃烧室、喷管以及RAMPT的目标。本期,我们着重了解RAMPT在铜合金、复合材料、双合金领域的精进创新如何简化火箭推力室的制造步骤和如何实现更大意义上的轻量化。

制造火箭发动机推力室的燃烧器腔室的双金属合金沉积的挑战是如何控制轴向和径向变形引起的收缩,这些变形大约占总长度的3-4%,而在喉咙区域约为7-10%,在较小的腔室中也观察到了双金属熔覆层的收缩。

NASA_RAMPT_1左)复合材料护套室与(右)DED双金属护套室相比,(右)显示收缩。两种衬管均为相同高度的GRCop-84衬管。来源:NASA

图中所示的两个腔室均为带有整体冷却通道的通过L-PBF基于粉末床的选区激光金属熔化3D打印技术制造的铜合金GRCop-84燃烧室腔室,它们是相同的设计,设计上具有相同的高度,因此需要开发出一种护套工艺以最大程度地减少变形,尽管通过AM-增材制造技术制造腔室的最新开发成果表明,该技术将更快且可在相关环境中发挥作用,但这些导致变形并留下残余应力的挑战是需要解决的

block 减重-燃烧室的双重轻量化

LCUSP的另一个目标是减轻重量,在LCUSP项目开始时,通过3D打印开发火箭推力室的燃烧室所使用的GRCop铜合金的材料性能和3D打印可行性尚不确定。然而3D打印-增材制造技术的快速发展实现了铜合金的制造,这使得设计者可以直接将复杂的冷却流道设计到壳体的薄壁之间,这使得复合材料外包装不需要独立地包裹冷却通道,而只需要提供结构支撑即可抵抗各种推力室载荷。

通过更高强度的材料(例如碳纤维复合材料)可以大大节省重量,在美国和国际上一些针对火箭推力室组件的计划中,已经研究了一种复合材料外包装以减轻重量。其中NASA在NASA马歇尔太空飞行中心Fastrac(MC-1)发动机在烧蚀室组件上进行了热火测试,不过目前传统的复合材料也在用,包括金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)。

block 双金属

在RAMPT项目下,制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42作为具有更高导电性的高强度合金而得到了应用,铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里,这带来高效的壁冷却以将腔室热壁保持在高强度温度区域中。在RAMPT项目基础上, LCUSP项目开发了生产封闭壁铜合金衬里的能力,使复合材料成为腔室护套作为可行且理想的选择。

尽管复合材料外包装作为腔室护套表现良好,同时RAMPT项目仍继续关注增材制造双金属材料的开发,因为仍需要对焊接火箭推力室的喷管进行材料过渡。而双金属材料则使得火箭推力室的喷管具有优化材料的选择,理想情况下火箭推力室的喷管由非铜合金制成,例如高温合金或不锈钢材料。双金属增材制造材料可以帮助应对推力室总成(TCA)中的所有结构和动态载荷的复杂挑战和要求。

RAMPT正在评估的关键技术之一是DED定向能量沉积增材制造技术,这允许整个推力室总成(TCA)在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道,从而无需进行封闭操作,这样的好处是明显的,不仅可以显着减少零件和焊接操作,并使得整个推力室总成(TCA)更加可多次利用

Video cover_NASA来源:NASA

除了3D打印工艺,RAMPT项目还在开发一种用于火箭推力室的喷注器和其他组件的新型增材制造材料,即NASA HR-1(在开发的同期,所使用的材料为Inconel 625和JBK-75)。NASA HR-1是用于高温操作环境下(例如液体火箭推力室的喷注器)的高强度合金,适用于多种增材制造技术。

RAMPT推力级硬件如图所示,早期的热火测试已在分离的硬件上完成,硬件包括复合材料外包装室和带整体通道的DED定向能量沉积增材制造工艺加工出来的燃烧室。

NASA_RAMPT_2RAMPT项目硬件开发。来源:NASA

block 精进无止境

在制造各种推力室时,通用的制造流程如图所示。RAMPT推力室总成(TCA)的核心始于L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术来制造GRCop铜合金燃烧室。LCUSP项目开发了GRCop-84,而RAMPT项目则开发了GRCop-42,以实现更高的电导率。腔室配有整体通道,这些通道完全封闭,可以达到每种推力类别所确定的厚度。

NASA_RAMPT_3RAMPT项目推力室开发制造流程。来源:NASA

通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料,形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管,并实现连续冷却,从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题,随后通过碳纤维聚合物基复合材料(PMC)外包装将整个推力室总成(TCA)进行外包装。

下期,3D科学谷将分享RAMPT项目在制造工艺开发过程中具体遇到的挑战与进展,敬请关注3D科学谷的后续独家发布的相关分析文章。

参考来源:Lightweight Thrust Chamber Assemblies using Multi- Alloy Additive Manufacturing and Composite Overwrap/2020 AIAA Propulsion and Energy Forum

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