Part2：深度剖析NASA採用多合金增材製造和複合材料實現輕質可重複使用的推力室組件

增材製造（AM）為具有複雜內部特徵的精密部件（例如以前不可能通過傳統工藝加工出來的帶複雜冷卻流道的液體火箭發動機推力室）帶來了重大的設計和製造機會。

除了減輕重量並實現性能優化外，3D列印技術還可以顯著節省成本並縮短製造周期。本期，3D科學谷針對美國NASA宇航局正在開發的一個名為「快速分析和製造推進技術」（RAMPT）的項目，分次(本文為第二篇Part2)與谷友共同深度了解NASA的RAMPT項目如何在LCUSP項目的基礎上吸收其精華，進行了又一次的設計、材料與加工工藝方面的精進創新。

原創式創新道路曲折且艱險，然而3D列印行業的發展是由技術應用的強度來驅動的，也就是說沒有應用無法真正發展3D列印行業，希望這一系列的分享起到拋磚引玉的作用，讓我們一起來感知創新所需要的文化內核及系統性的戰略支持。

材料與工藝的雙重進步

控制變形與收縮

3D科學谷在Part1第一篇中分享過火箭推力室的結構：噴注器、燃燒室、噴管以及RAMPT的目標。本期，我們著重了解RAMPT在銅合金、複合材料、雙合金領域的精進創新如何簡化火箭推力室的製造步驟和如何實現更大意義上的輕量化。

製造火箭發動機推力室的燃燒器腔室的雙金屬合金沉積的挑戰是如何控制軸向和徑向變形引起的收縮，這些變形大約佔總長度的3-4％，而在喉嚨區域約為7-10％，在較小的腔室中也觀察到了雙金屬熔覆層的收縮。

左）複合材料護套室與（右）DED雙金屬護套室相比，（右）顯示收縮。兩種襯管均為相同高度的GRCop-84襯管。來源：NASA

圖中所示的兩個腔室均為帶有整體冷卻通道的通過L-PBF基於粉末床的選區雷射金屬熔化3D列印技術製造的銅合金GRCop-84燃燒室腔室，它們是相同的設計，設計上具有相同的高度，因此需要開發出一種護套工藝以最大程度地減少變形，儘管通過AM-增材製造技術製造腔室的最新開發成果表明，該技術將更快且可在相關環境中發揮作用，但這些導致變形並留下殘餘應力的挑戰是需要解決的。

減重-燃燒室的雙重輕量化

LCUSP的另一個目標是減輕重量，在LCUSP項目開始時，通過3D列印開發火箭推力室的燃燒室所使用的GRCop銅合金的材料性能和3D列印可行性尚不確定。然而3D列印-增材製造技術的快速發展實現了銅合金的製造，這使得設計者可以直接將複雜的冷卻流道設計到殼體的薄壁之間，這使得複合材料外包裝不需要獨立地包裹冷卻通道，而只需要提供結構支撐即可抵抗各種推力室載荷。

通過更高強度的材料（例如碳纖維複合材料）可以大大節省重量，在美國和國際上一些針對火箭推力室組件的計劃中，已經研究了一種複合材料外包裝以減輕重量。其中NASA在NASA馬歇爾太空飛行中心Fastrac（MC-1）發動機在燒蝕室組件上進行了熱火測試，不過目前傳統的複合材料也在用，包括金屬基複合材料（MMC）和陶瓷基複合材料（CMC）。

雙金屬

在RAMPT項目下，製造火箭推力室的燃燒室所用的銅合金GRCop-42作為具有更高導電性的高強度合金而得到了應用，銅合金由於其高導熱性而被期望用於腔室襯裡，這帶來高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強度溫度區域中。在RAMPT項目基礎上， LCUSP項目開發了生產封閉壁銅合金襯裡的能力，使複合材料成為腔室護套作為可行且理想的選擇。

儘管複合材料外包裝作為腔室護套表現良好，同時RAMPT項目仍繼續關注增材製造雙金屬材料的開發，因為仍需要對焊接火箭推力室的噴管進行材料過渡。而雙金屬材料則使得火箭推力室的噴管具有優化材料的選擇，理想情況下火箭推力室的噴管由非銅合金製成，例如高溫合金或不鏽鋼材料。雙金屬增材製造材料可以幫助應對推力室總成（TCA）中的所有結構和動態載荷的複雜挑戰和要求。

RAMPT正在評估的關鍵技術之一是DED定向能量沉積增材製造技術，這允許整個推力室總成（TCA）在火箭推力室噴管的製造過程中一次性形成所有的內部冷卻通道，從而無需進行封閉操作，這樣的好處是明顯的，不僅可以顯著減少零件和焊接操作，並使得整個推力室總成（TCA）更加可多次利用。