2018年是NASA成立60周年，在2018年年末, NASA回顧了他們?cè)谔仗剿鞣矫娴氖斋@, 包括：月球、火星探測(cè)，人類與太空空間站，超音速航空，飛行器技術(shù)，太空技術(shù)等。在這些工作中，前沿科學(xué)和新技術(shù)發(fā)揮著重要作用，其中，增材制造/3D打印技術(shù)的應(yīng)用隨處可見(jiàn)。本期，3D科學(xué)谷將NASA 近年來(lái)部分3D打印應(yīng)用和增材制造零件的研發(fā)進(jìn)展進(jìn)行了整理。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件

SLSRS-25發(fā)動(dòng)機(jī)pogo蓄能器組件

       NASA 已經(jīng)成功進(jìn)行了RS-25的熱火試驗(yàn)，其中包括對(duì)NASA迄今為止最大的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件的測(cè)試，即pogo蓄能器組件。

  在飛行過(guò)程中，火箭可能會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)大的上下振動(dòng)，這主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑的進(jìn)給造成的。這被稱為pogo效果。被測(cè)試的3D打印部件是pogo蓄能器，這是一種沙灘球大小的硬件，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)中的液氧運(yùn)動(dòng)來(lái)起到減震器的作用，以防止可能使火箭飛行不穩(wěn)定的振動(dòng)。3D打印pogo蓄能器采用了集成式設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)制造方式中則需要100多個(gè)焊接，增材制造使得制造成本降低了近35％，生產(chǎn)時(shí)間縮短了80％以上。

      NASA和AerojetRocketdyne計(jì)劃將增材制造制造的數(shù)十個(gè)組件整合到新的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)中。此外，幾乎所有其他主要部件，包括主燃燒室，噴嘴，管道，閥門(mén)，電氣和行走裝置，都將使用各種先進(jìn)的制造工藝來(lái)提高可承受性。

新型高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)

       Aerojet Rocketdyne在過(guò)去二十年中投入了大量時(shí)間和資源開(kāi)發(fā)3D打印/增材制造應(yīng)用，以滿足火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和防御系統(tǒng)應(yīng)用的嚴(yán)格要求。2018年Aerojet Rocketdyne 宣布其為NASA和美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）制造的新型高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成功通過(guò)測(cè)試，3D打印技術(shù)與高超音速航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，為研發(fā)下一代高超音速推進(jìn)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

 該發(fā)動(dòng)機(jī)為“新型雙模式?jīng)_壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)/超燃沖壓（DMRJ）發(fā)動(dòng)機(jī)”。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（形成基于渦輪的聯(lián)合循環(huán)推進(jìn)-TBCC系統(tǒng)），能夠?qū)w行器從靜止?fàn)顟B(tài)推進(jìn)到5馬赫或更高的高超音速飛行狀態(tài)并再次返回。

兩種合金制成的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器

        這款3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器，標(biāo)志著NASA能夠首次使用3D打印成功地將功能部件中的兩種金屬合金組合在一起。這一突破可能開(kāi)啟火箭點(diǎn)火器更快的開(kāi)發(fā)周期，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器在未來(lái)的生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)上，關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)部件是使用釬焊工藝制成的，釬焊是一種緩慢而昂貴的工藝，并且需要體力勞動(dòng)和各種不同的步驟來(lái)配合完成。通過(guò)3D打印將兩種金屬材料打印成一個(gè)單一部件，NASA開(kāi)辟了一種更高效、更經(jīng)濟(jì)有效的制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器的方法。

3D打印銅合金火箭燃燒室部件

       NASA 在銅合金發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯3D打印方面取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種銅合金，打印工藝也是選區(qū)激光熔融。

燃燒室襯里的3D打印總共為8255層，僅這一個(gè)部件打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。這個(gè)銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個(gè)復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對(duì)增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)也是一大挑戰(zhàn)。

載人飛船&著陸器

帶有3D打印部件的獵戶座載人飛船

        Aerojet Rocketdyne 最近完成了增強(qiáng)型反應(yīng)控制推進(jìn)器系統(tǒng)的鑒定測(cè)試，這個(gè)推進(jìn)器系統(tǒng)將專門(mén)用于NASA 獵戶座太空船載人模塊，其中的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴延伸部分是采用3D打印技術(shù)制造的。Aerojet Rocketdyne 稱這是有史以來(lái)第一次將增材制造的零件安裝在載人航天器上。

 Aerojet Rocketdyne 采用3D打印技術(shù)的原因是為推進(jìn)器部件獲得更高的設(shè)計(jì)自由度，并且縮短部件的制造時(shí)間。

復(fù)雜設(shè)計(jì)的輕量化太空著陸器

      Autodesk-歐特克與NASA 合作為噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了太空著陸器。這個(gè)太空登陸器的設(shè)計(jì)初衷是創(chuàng)造最輕的結(jié)構(gòu)，但它仍然必須承受被射入太空的壓力，冰凍的溫度，輻射水平是地球的1000倍，以及還需要考慮結(jié)構(gòu)降落在行星（如火星）時(shí)的重力和側(cè)向力。

研究團(tuán)隊(duì)在打造這款著陸器時(shí)使用了3D打印、數(shù)控加工和鑄造三種技術(shù)。在設(shè)計(jì)著陸器時(shí)，研究人員將著陸器在深太空可能遭受的溫度和壓力等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計(jì)軟件中，軟件根據(jù)數(shù)學(xué)算法生成了數(shù)種不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。目前NASA與歐特克公司合作設(shè)計(jì)的這款著陸器主要是以實(shí)驗(yàn)為目的。在太空旅行中，承受太空惡劣環(huán)境的最佳材料就是鈦和鋁，但是這些材料也有點(diǎn)重，而隨著著陸器重量的增加，發(fā)射的困難和成本也會(huì)隨之增長(zhǎng)。因此降低重量能夠減少衛(wèi)星探索任務(wù)的總成本和復(fù)雜性。

NASA將首臺(tái)集成3D打印機(jī)和回收系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)送到國(guó)際空間站。這臺(tái)名為Refabricator的機(jī)器會(huì)把廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)?D打印機(jī)材料，隨后創(chuàng)造新的工具和材料。它將使用多次回收塑料來(lái)制造零件，該零件將在返回地球時(shí)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試。這項(xiàng)技術(shù)有望在未來(lái)的月球和火星探測(cè)任務(wù)中使用。

在太空中進(jìn)行增材制造的技術(shù)

        NASA和Made In Space公司開(kāi)展了一項(xiàng)Archinaut TDM 項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是在2020年將Archinaut 太空制造設(shè)備投入軌道空間建設(shè)中。

       Archinaut本質(zhì)上是一個(gè)具有機(jī)器人手臂的3D打印機(jī)，可以自動(dòng)地組裝和打印結(jié)構(gòu)件。通過(guò)測(cè)試的是用于組裝空間站或探測(cè)車(chē)的大型梁結(jié)構(gòu)件和其他部件。Archinaut已經(jīng)能夠制造復(fù)雜3D打印硬件和超空間結(jié)構(gòu)，并在模擬環(huán)境下的外空間環(huán)境中成功通過(guò)了測(cè)試。