2018年是NASA成立60周年，在2018年年末, NASA回顧了他們在太空探索方面的收獲, 包括：月球、火星探測，人類與太空空間站，超音速航空，飛行器技術，太空技術等。在這些工作中，前沿科學和新技術發(fā)揮著重要作用，其中，增材制造/3D打印技術的應用隨處可見。本期，3D科學谷將NASA 近年來部分3D打印應用和增材制造零件的研發(fā)進展進行了整理。

火箭發(fā)動機零部件

SLSRS-25發(fā)動機pogo蓄能器組件

       NASA 已經(jīng)成功進行了RS-25的熱火試驗，其中包括對NASA迄今為止最大的3D打印火箭發(fā)動機組件的測試，即pogo蓄能器組件。

  在飛行過程中，火箭可能會經(jīng)歷強大的上下振動，這主要是由于發(fā)動機和推進劑的進給造成的。這被稱為pogo效果。被測試的3D打印部件是pogo蓄能器，這是一種沙灘球大小的硬件，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機中的液氧運動來起到減震器的作用，以防止可能使火箭飛行不穩(wěn)定的振動。3D打印pogo蓄能器采用了集成式設計，在傳統(tǒng)制造方式中則需要100多個焊接，增材制造使得制造成本降低了近35％，生產(chǎn)時間縮短了80％以上。

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

新型高超音速發(fā)動機

       Aerojet Rocketdyne在過去二十年中投入了大量時間和資源開發(fā)3D打印/增材制造應用，以滿足火箭發(fā)動機和防御系統(tǒng)應用的嚴格要求。2018年Aerojet Rocketdyne 宣布其為NASA和美國國防高級研究計劃局（DARPA）制造的新型高超音速發(fā)動機已經(jīng)成功通過測試，3D打印技術與高超音速航天發(fā)動機制造經(jīng)驗的結合，為研發(fā)下一代高超音速推進系統(tǒng)奠定基礎。

 該發(fā)動機為“新型雙模式?jīng)_壓式噴氣發(fā)動機/超燃沖壓（DMRJ）發(fā)動機”。超燃沖壓發(fā)動機結合了燃氣渦輪發(fā)動機（形成基于渦輪的聯(lián)合循環(huán)推進-TBCC系統(tǒng)），能夠?qū)w行器從靜止狀態(tài)推進到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)動機點火器

        這款3D打印的火箭發(fā)動機點火器，標志著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。這一突破可能開啟火箭點火器更快的開發(fā)周期，并降低發(fā)動機點火器在未來的生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)上，關鍵的發(fā)動機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，并且需要體力勞動和各種不同的步驟來配合完成。通過3D打印將兩種金屬材料打印成一個單一部件，NASA開辟了一種更高效、更經(jīng)濟有效的制造火箭發(fā)動機點火器的方法。

3D打印銅合金火箭燃燒室部件

       NASA 在銅合金發(fā)動機燃燒室內(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研究中心開發(fā)出來的一種銅合金，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，僅這一個部件打印時間為10天零18個小時。這個銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰(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 最近完成了增強型反應控制推進器系統(tǒng)的鑒定測試，這個推進器系統(tǒng)將專門用于NASA 獵戶座太空船載人模塊，其中的發(fā)動機噴嘴延伸部分是采用3D打印技術制造的。Aerojet Rocketdyne 稱這是有史以來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打印技術的原因是為推進器部件獲得更高的設計自由度，并且縮短部件的制造時間。

復雜設計的輕量化太空著陸器

      Autodesk-歐特克與NASA 合作為噴氣推進實驗室設計了太空著陸器。這個太空登陸器的設計初衷是創(chuàng)造最輕的結構，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，以及還需要考慮結構降落在行星（如火星）時的重力和側向力。

研究團隊在打造這款著陸器時使用了3D打印、數(shù)控加工和鑄造三種技術。在設計著陸器時，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)輸入到設計軟件中，軟件根據(jù)數(shù)學算法生成了數(shù)種不同的設計結果。目前NASA與歐特克公司合作設計的這款著陸器主要是以實驗為目的。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重，而隨著著陸器重量的增加，發(fā)射的困難和成本也會隨之增長。因此降低重量能夠減少衛(wèi)星探索任務的總成本和復雜性。

NASA將首臺集成3D打印機和回收系統(tǒng)的設備運送到國際空間站。這臺名為Refabricator的機器會把廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)?D打印機材料，隨后創(chuàng)造新的工具和材料。它將使用多次回收塑料來制造零件，該零件將在返回地球時進行質(zhì)量測試。這項技術有望在未來的月球和火星探測任務中使用。

在太空中進行增材制造的技術

        NASA和Made In Space公司開展了一項Archinaut TDM 項目，該項目的目標是在2020年將Archinaut 太空制造設備投入軌道空間建設中。

       Archinaut本質(zhì)上是一個具有機器人手臂的3D打印機，可以自動地組裝和打印結構件。通過測試的是用于組裝空間站或探測車的大型梁結構件和其他部件。Archinaut已經(jīng)能夠制造復雜3D打印硬件和超空間結構，并在模擬環(huán)境下的外空間環(huán)境中成功通過了測試。