用于制造太空飞行部件的增材制造

1972年12月19日下午，阿波罗17号的指挥服务舱CSM-114“美国”号溅落在太平洋上，将机组人员和货物安全带回家园。这一事件标志着美国宇航局11年探月计划的结束，也是人类最后一次访问月球。在一定程度上要感谢总部位于加州洛杉矶的Aerojet rocketdyne公司——一家在太空飞行和火箭推进方面拥有自豪传统的制造商——我们很快就会回去，这次是留下来。

来见见阿波罗的妹妹

在希腊神话中，阿波罗是掌管海神、太阳神和天神的奥林匹斯十二神之一。因此，美国国家航空航天局(NASA)以这位神的双胞胎姐妹和月球女神阿尔忒弥斯(Artemis)的名字命名下一次月球探险是再合适不过的了。虽然阿波罗的许多任务都非常成功，对美国太空计划的延续至关重要，但阿耳特弥斯的目标要远大得多。

从2022年开始，NASA将把无人猎户座飞船送入月球轨道，随后是载人着陆，建造月球栖息地和配套基础设施，最终为访问火星做准备。据美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)称，该航天局及其合作伙伴将在本十年结束前实现这一目标，而且其购买力仅为1964年阿波罗开发的巅峰时期的一半。

是什么技术使这些雄心勃勃的计划得以实现?增材制造(AM)，更广为人知的名字是3D打印。Aerojet Rocketdyne公司的航空工程师和任务设计师詹姆斯·霍顿(James Horton)说:“就像任何复杂的努力一样，你的成本越低，你确保完成它的机会就越大，月球也不例外。”Metal AM在实现这些目标方面发挥着关键作用。”

在遗产的基础上

Aerojet Rocketdyne在金属AM方面有着悠久的历史。二十多年来，该公司投入了大量的时间和资源来利用这一重要技术，将大部分精力集中在激光粉末床聚变(LPBF)上。正是由于这些努力，这家航空航天制造商已经能够成功地为各种项目设计和集成3d打印的最终用途组件，其中包括将阿尔特米斯号送入太空的大型RS-25发动机。

霍顿经历了很多。自2008年以来，他一直在美国宇航局和国防部的火箭发动机设计、开发和试飞操作中担任领导角色。他在Aerojet Rocketdyne的先进推进团队目前正在研究化学、电力和核动力推进，以支持美国宇航局的深空探索工作，包括阿尔忒弥斯项目。

他会告诉你，当金属AM与先进的设计和模拟软件结合使用时，为今天的航空航天工程师提供了“前人完全无法获得的一整套解决方案，提供了无与伦比的创新能力，而不妥协。”正因为如此，Aerojet Rocketdyne已经能够降低推进成本，加快上市时间，并以前所未有的方式提高其产品的性能。

最近的一个例子是一个关键的子系统，阿波罗工程师称之为“四元”反应控制系统(RCS)。阿波罗RCS包括四个单独的R-4D双推进剂推进器，最初由马夸特公司设计，使用自燃(自燃)四氧化二氮和肼作为推进剂。每个登月舱和服务舱都有四个四轴推进器，每个四轴推进器产生超过100磅的推力，以控制航天器在飞行过程中的滚转、俯仰和偏航。经过一系列的收购，Aerojet Rocketdyne最终获得了R4-D的所有权，打算在未来的航天器上使用现在所谓的“反应控制系统”(RCS)。

鉴于RCS最初的设计已经有60多年的历史，霍顿和他的团队意识到一个改进的机会，并开始了许多内部研究和开发(IRAD)项目之一，旨在优化阿尔忒弥斯计划和其他商业月球项目所需的系统。在RCS项目中，他们寻求减少发动机部件数量、提高可靠性、使装配和维修更容易的方法，所有这些都将在提高航天器性能的同时降低项目成本。金属AM检查了所有这些框。

霍顿说:“在整个阿波罗计划中，美国宇航局生产了650多个推进器，以支持6次登月。”“这是一个巨大的数字，这让我们相信我们正在做一件大事——我们知道，如果我们能让RCS负担得起，我们就能对任何这个和未来的项目产生积极的影响。”

他们还想利用火箭燃料的进步。多年来，推进工程师们已经了解到，在之前提到的燃料氧化剂四氧化二氮中加入25%的一氧化氮，可以将其冰点从-9°C降低到-55°C。由于这减少了防止太空中燃料管道冻结所需的加热系统的质量和功耗，这为Aerojet Rocketdyne提供了一个重要的机会。有一个问题:刚才描述的MON-25燃料不稳定，霍顿认为这种情况是“火箭研究中不好的事情”。

证明概念

Metal AM允许团队打印特殊的喷油器几何形状，以稳定的方式燃烧燃料。他们很快就用镍基高温合金Inconel 718设计并制造了一个概念模型，但不幸的是，他们的金属3D打印机遇到了限制。

Horton表示:“考虑到外伸问题，我们必须以45度角建造RCS注入器体，同时还添加了一系列大型支撑结构，以防止在建造过程中发生热翘曲。”“支架需要在加工后进行加工，增加了产品成本，同时导向角度造成的表面质量不理想。肯定有改进的空间。”

与此同时，他们意识到有大量的轻量化和拓扑优化的空间。霍顿指出，他们在重新设计的过程中删除了“大块”不必要的材料，但这远非完美。他说:“你能从宇宙飞船上移除的每一磅材料都能节省发射成本。”“这就是为什么我们求助于nTopology来优化设计，然后Velo3D来为我们构建它。”

剥壳，填充，然后再次打印

纽约工程和设计软件公司nTopology的技术人员很快就将注入器体的块状结构“剥开”，在复杂的流体端口和通道周围保持一致的壁厚，同时消除应力集中区域。然后，他们用薄晶格结构填充产生的空隙，增加其强度和刚度，同时只增加最小的重量;由于其“隐式建模”功能，nTopology能够将四喷射器的质量减少一半。

Aerojet Rocketdyne团队将优化后的零件文件发送到Velo3D位于加利福尼亚州坎贝尔的工厂。正是在那里，金属AM解决方案提供商给了Horton一些好消息。由于该公司对3d打印钛的掌握，RCS喷油器的重量将远远小于铬镍合金喷油器。钛是一种因其强度和重量轻而在整个航空航天工业中受到青睐的金属。正如Velo3D技术销售工程师Gene Miller所指出的那样，不需要像第一次迭代那样以一个角度建造它，也不需要使用大而块状的支架。

Miller说:“我们专有的预打印软件足够直观，可以识别不同的几何特征，并在这些区域应用特定的激光参数，从而尽可能高效地打印，而不需要额外的支撑材料。”“此外，我们是少数几个能够成功打印大型复杂钛部件而不开裂的金属AM系统提供商之一。我们有一种独特的解决方案，可以减轻打印材料内累积的内部应力，并且可以比市场上的其他打印机更避免开裂。”

最终结果呢?Aerojet Rocketdyne现在有一种RCS推进器，它的质量是传统制造版本的1/5，大小是1/2，成本是常规制造版本的1/3。由于它包含的组件更少，也更容易组装，在操作过程中发生故障的几率也更小。Horton表示:“我们已经证明，通过利用增材制造和先进的软件技术，与过去制造部件的方式相比，我们能够降低成本，缩短交货时间，并大大提高系统性能。我们的下一步是演示这个概念的证明，将其带入实际的现场测试，并希望最终获得资格。从那里，它将进入太空。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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