新基准！NASA 3D打印全尺寸旋转爆震火箭发动机实现超过 5,800 磅的推力

| 3DScienceValley · 2023/12/23

美国宇航局 (NASA) 在开发称为旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 的创新推进系统方面取得了新的基准。位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的工程师于2023 年秋季成功地对全尺寸旋转爆震火箭发动机燃烧室进行了 251 秒的热火测试，实持续 251 秒（或超过 4 分钟），实现了超过 5,800 磅的推力。

超过 5,800 磅的推力
© NASA

根据3D科学谷，航天领域的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。另一大技术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。而3D打印使得化解这些挑战成为可能。

航空颠覆性技术
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新基准

位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心负责 RDRE 测试工作的马歇尔燃烧设备工程师Thomas Teasley表示，这种持续燃烧模拟了着陆器着陆或深空燃烧的典型要求，可以使航天器从月球飞往火星。

Teasley指出，最新测试的主要目标是更好地了解如何将燃烧器扩展到不同的推力等级，支持所有类型的发动机系统并最大限度地发挥其可以服务的各种任务，从着陆器到上级发动机再到超音速推进。

此前RDRE 的首次热火测试于2022 年夏天在马歇尔与印第安纳州拉斐特市的 In Space LLC 和普渡大学合作进行。那次测试在近一分钟内产生了超过 4,000 磅的推力，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 实现了设计效率的巨大飞跃，这表明NASA更接近制造轻型推进系统，能够将更多的质量和有效载荷进一步发送到深空，这是美国宇航局月球到火星愿景的关键组成部分。

美国宇航局克利夫兰格伦研究中心的工程师和德克萨斯州休斯顿维纳斯航空航天公司的研究人员正在确定如何扩展该技术以获得更高的性能。

潜力变革者

根据航空制造网《樊会涛院士：颠覆性技术如何重塑航空装备？》一文，旋转爆震发动机已成为未来航空动力领域最具潜力的变革者之一，在军民用领域应用前景广阔，对未来航空领域可能产生如下颠覆性影响：①在前期作为机载武器、无人机、靶机、诱饵机的动力系统，推动无人飞行器向小型化、远航程方向发展；②在后期可单独或作为组合动力系统应用在中大型军民用飞机上，提高推重比、降低油耗、提高经济可承受性。

3D打印超燃冲压发动机技术逻辑
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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。

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。

航空航天更紧密

旋转爆震发动机正在重塑航空航天市场格局，就在2023年，GE航空航天公司于12月14日透露，位于纽约州北部的全球研究中心的科学家们成功测试了双模冲压发动机（DMRJ）发动机小型验证机，该验证机使用了一种称为旋转爆震燃烧（RDC）的新技术。GE表示，对于一次性和可重复使用的飞行器，该设计可以实现高速、远程飞行，其效率比当前超燃冲压发动机更高。

根据航空制造网《樊会涛院士：颠覆性技术如何重塑航空装备？》一文，高超声速技术对未来航空领域可能产生如下颠覆性影响：在民用领域，高超声速客机将极大缩短旅途中花费的时间，显著提高出行效率的同时，大幅改善乘客旅途中的舒适度。在军用领域，高超声速武器凭借其高速特性，可突破当前几乎所有防空反导系统，实现对固定、时敏、高价值目标快速精确打击；高超声速飞机可执行多元化任务，慑打一体，灵活机动性更强，对未来空战样式带来巨大变革。

2023年一个明显的发展趋势是，在3D打印技术带来的创新能力下，航天与航空由旋转爆震发动机产生更加紧密的相关性，而伴随着在 RDRE方面取得成功，NASA 工程师将进行后续工作，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。