根据Quadrus公司报告称，其 Quadrus 先进制造部门 (QAMD) 通过激光束粉末床熔融 (PBF-LB) 增材制造制造出世界上第一个双金属旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 喷射器。据报道，这项工作是一系列小型企业创新研究 (SBIR) 第二阶段和第三阶段工作的成果，由 NASA MSFC管理。
▲ 双金属喷射器
© 3D科学谷
双金属的优势互补
根据Quadrus，由于旋转爆震波产生的强烈热量，RDRE 喷射器面临着重大挑战。作为应对解决方案， Quadrus 先进制造部门 (QAMD) 制造了一种解决方案，其特点是采用导热GRCop-42铜合金制成的薄面板和采用抗氧化镍基超合金 Monel K500 制成的歧管。
▲ 3D打印火箭推力室的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书
GRCop-42 铜合金可使推进剂有效冷却喷射器表面，而 Monel K500 镍基超合金的抗氧化性和强度可使歧管壁更薄，从而实现更轻的设计解决方案，以满足 RDRE 应用的需求。
© 3D科学谷白皮书
Quadrus克服了与双金属制造相关的众多障碍，包括精确的几何对准、降低材料交叉污染的风险以及形成高强度的双金属键合。这需要严格关注所有三个方面的细节，同时保持双金属区域的孔径为 1.016 毫米。
双金属喷射器的突破标志着NASA多年来专注于燃烧喷射器应用热管理的SBIR工作达到了顶峰，成功之处包括 Quad Mesh 的开发，据报道，这是喷射器面板应用的蒸发冷却的突破性方法。Quad Mesh 可在高热通量区域实现可定制的渗透性，与PBF-LB构建过程和除粉技术协同补充。
双金属喷射器以及包含 Quad Mesh 技术的整体式 GRCop-42 喷射器计划于2024年夏天在NASA马歇尔太空飞行中心进行热火测试，据说这标志着火箭喷射器应用的热管理向前迈出了重要一步。
双金属火箭发动机喷射器
双金属火箭发动机喷射器是一种利用3D打印技术制造的先进部件，它结合了两种不同金属材料的特性，以提高火箭发动机的性能和效率。这种喷射器通常采用高导热的铜合金（如GRCop-42）来制造喷射器面板，以确保在高热环境下能够维持较低的温度，从而延长喷射器的使用寿命和可靠性34。同时，使用高强度、耐氧化的镍基超合金（如Monel K500）来制造歧管，允许歧管在保持结构完整性的同时，壁厚更小，减轻整体重量，提高火箭发动机的性能34。
3D打印技术使得这种双金属结构的制造成为可能，它具有最佳的制造精度、力学性能、表面质量以及复杂结构制造能力3。然而，在制造过程中，确保两种材料之间的精确几何对齐、避免材料交叉污染以及实现高强度双金属结合都是需要克服的技术挑战3。
这种双金属喷射器的成功研发和应用，不仅提高了喷射器的性能和可靠性，还为未来的火箭发动机设计提供了新的思路和方法34。它体现了3D打印技术在一体化和轻量化制造方面的优势，推动了更高耐热性能的实现，并提高了火箭发动机的整体性能34。此外，这种结构的成功制造是增材制造技术的重要突破，展示了在材料科学、制造工艺和工程设计方面的创新能力36。
尽管多材料SLM工艺取得了很大进步，但距离稳定高效批量生产组件仍有一定距离，此类工程化应用的案例仍然相当少。不过，以相对并不高的代价制造出创新的结构，以推动产品的发展，却具有重大意义3。
1 ：新基准！NASA 3D打印全尺寸旋转爆震火箭发动机实现超过 …
2 ：洞悉3D打印火箭发动机推力室的技术逻辑与商业进展_制造 …
3 ：航天新应用：3D打印双金属喷射器，让下一代火箭发动机更强 …
4 ：航天新应用：3D打印双金属喷射器，结构/功能一体化如何让下 …
5 ：航天新应用：3D打印双金属喷射器，结构/功能一体化如何让下 …
6 ：航天新应用：3D打印双金属喷射器，结构/功能一体化如何让下 …
7 ：印度阿格尼库尔公司成功发射3D打印火箭并完成亚轨道测试 …
8 ：印度阿格尼库尔公司成功发射3D打印火箭并完成亚轨道测试 …
9 ：3D打印火箭发动机推力室的技术逻辑与商业进展_制造_燃烧室 …
10 ：洞悉3D打印火箭发动机推力室的技术逻辑与商业进展- 广州 …
RDRE
旋转爆震火箭发动机（RDRE）在产生强烈热量方面面临的挑战主要体现在喷射器设计上。RDRE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。这种回流的减少对于维持喷射器的稳定性和效率至关重要。此外，喷射器元件的设计需要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，从而显著减少回流4。这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。
为了解决这些挑战，NASA采用了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，通过这些方法来优化喷射器的设计4。同时，3D打印技术的应用使得喷射器设计可以更加复杂和精细，有助于实现更为稳定高效的性能4。通过这些技术的应用和发展，NASA希望能够提高燃烧装置的性能，从而实现未来的任务架构，包括月球到火星等深空探索任务4。
1：5800 磅推力持续 251 秒，NASA 成功测试突破性火箭发动 …
2：蒸汽喷射器喷射系数计算的热力学模型 – 百度学术
3：国外成功演示用于深空探索任务的全尺寸旋转爆轰火箭发动机 …
4：NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要 …
5：成功测试旋转爆震燃烧（RDC）技术！GE获高超音速发动机 …
6：5800磅推力持续251秒，NASA成功测试突破性火箭发动机RDRE
7：NASA为深空任务成功试车了革命性进步的设计—RDRE – 哔 …
8：基于液体 RP-2/O2 的旋转爆震发动机的三维数值模拟 …
9：确定制冷循环中R141b喷射器运行的最佳热源温度的实验研究
10：NASA划时代的旋转爆震火箭发动机，如何化解极端要求下的 …
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文
