NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的三大技术挑战？

国际金属加工网　2023年03月10日

随着 NASA 推进在月球表面建立长期栖息地的行动计划，NASA 的一组推进开发工程师开发并测试了 NASA 的第一台全尺寸旋转爆震火箭发动机（或简称RDRE），这是一种先进的火箭发动机设计，可以显着改变未来推进系统的构建方式。本期，3D科学谷将与谷友一起来领略NASA划时代意义的全尺寸旋转爆震火箭发动机技术挑战。

RDRE点火测试

蓝色到红色火焰流的发动机测试

美国宇航局马歇尔太空飞行中心的工程师确认了在马歇尔东部试验区进行的 RDRE 热火试验的数据。发动机点火了十几次，总持续时间将近 10 分钟。RDRE 与当今的推进系统相比，这种设计在使用更少燃料的同时产生更多动力，并有可能为人类着陆器和行星际飞行器提供动力，使其到达月球和火星等深空目的地。

RDRE 通过证明其硬件（由增材制造-3D 打印制成）可以长时间运行，同时承受爆炸产生的极端高温和高压环境，从而实现了其主要测试目标。在全速运行时，RDRE 在平均腔室压力为 622 磅/平方英寸的情况下产生超过 4,000 磅的推力近一分钟，这是该设计有记录以来的最高压力等级。

航空航天增材制造应用发展方向
© 3D科学谷白皮书

RDRE 代表了通过3D打印实现制造便利性、提高推进剂比冲和推进美国太空访问能力方面显着改进的潜力。业界的兴趣从未如此高涨，因为这项工作旨在从根本上改进和扩展人类探索太空的能力，使空间访问更加可行且更具成本效益。特别是HLS（人类着陆系统）、SLS（太空发射系统）和月球到火星的技术。

正如3D科学谷视频《3D打印为支点，SpaceX撬起太空竞赛新规则！》所展示的，3D打印在成就新型火箭发动机方面发挥了关键作用。

提高比冲的 RDRE喷射器元件

液体推进系统比冲的进步在很大程度上也取决于RDRE的喷射器设计。RDRE旋转爆震火箭发动机开发的一大技术挑战是需要在⾼压爆轰通过喷射器孔口时减少燃烧产物的回流可能性。需要新的喷射器元件设计与制造方案，能够有效地阻止喷射器表面的爆炸，远离喷射器面的爆炸将降低喷射器孔口将经历的总压力梯度，从而显着减少回流，每一项都需要降低整体操作压力以满足更合理的液体发动机系统要求。回流或回流阻力的可视化和测量在这方面非常有帮助。

传统的喷嘴通常涉及在中心体和整流罩或外体喷嘴中使用类似气塞的塞式喷嘴。而RDRE应对超⾼性能爆震喷射器带来的挑战，通过计算流体动力学建模 (CFD) 和分析以及冷流测试，最后是热火测试。解决这些挑战的解决方案为 NASA 和行业合作伙伴提供一条可行的道路，以从根本上提⾼燃烧装置的性能，从而实现未来的任务架构，包括月球到火星。

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》一文，除了钛基或镍基合金，NASA的HR-1是用于高温操作环境下（例如液体火箭推力室的喷射器）的高强度合金，适用于多种3D打印-增材制造技术。

根据3D科学谷的市场研究，目前的市场上各种喷射器设计充分利用了3D打印实现复杂内部形状的特点，不管是多管气体分配回路，还是延伸到燃烧气体流场中的冷却系统，亦或是带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器，3D打印都在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。3D打印不仅避免了多个零部件的组装需要，还可以成就更为复杂的形状，使得传统加工工艺难以实现。

耦合的燃烧室腔室和喷射器配置

RDRE的另一个挑战是需要设计和制造耦合的燃烧室腔室和喷射器配置，以理想地产生推力并将损失降至最低。

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。GRCop-42可以实现更高的热导率，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还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。

燃烧室与喷管耦合

燃烧室与喷管集成的关键技术挑战之一是开发双金属增材制造，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。双金属的开发集中在径向沉积上，第二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。

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。

L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的铜合金燃烧室与DED定向能量沉积3D打印的集成中存在一些挑战，例如，使用超级合金进行喷管焊接制备的最佳热处理（即均质化和固溶化）所需的温度要高于GRCop-42铜合金所能“容忍”的温度。这需要对材料特性产生一些影响。集成过程中遇到的其他挑战是操作顺序，其中复合材料护套的温度受到限制，大多数焊接和机加工操作必须在包裹前进行，以免造成损坏。

NASA在进行适当的风险管理的同时汲取了经验与教训。研发人员在GRCop-84铜合金推力室燃烧室的后端直接通过DED定向能量沉积3D打印技术加工JBK-75材料制造了燃烧室喷管。双金属接头是通过L-PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术加工的，研发人员尝试了各种将这些制造过程与复杂的接头相结合的可行性，吸取了一些教训，并对接缝进行一些重新设计，以提供足够的材料并避免过度加热。

为了解决散热问题，NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计，通过DED定向能量沉积3D打印技术加工内部冷却通道。NASA积累了大量的经验以选择可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。

更多技术、更多可能

除了PBF，DED技术，NASA还将冷喷涂（CSD）技术用于在 7,999 磅级的燃烧室外部添加 NASA 的 HR-1 材料（一种镍基合金，可在极端环境中抵抗腐蚀、氧化和脆化）的保护套。

RDRE 热火试验测试期间实现的其他里程碑包括深度节流和内部点火的成功性能。使该技术更接近于用于未来的飞行器，这是使太空探索更具可持续性的重要组成部分。由于 NASA 最近在 RDRE 方面取得成功，NASA 工程师正在进行后续工作，以开发完全可重复使用的 10,000 磅级 RDRE，以确定与传统液体火箭发动机相比的性能优势。

参考资料：

1. NASA SBIR 2022 Phase l Rotating Detonation Rocket Engines

2. 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

（3D科学谷）

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