上海交大&多伦多大&南洋理工&港大联合顶刊丨增材制造多层级功能结构的设计、性能和应用研究进展

近日，总部位于匹兹堡的太空机器人和月球物流公司Astrobotic已完成“查克拉姆”（Chakram）旋转爆震火箭发动机的热试车，增材制造技术在这一里程碑式的成果中发挥了关键作用。 两台原型机在位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心成功完成了 八次测试，累计运行时间超过470秒，其中包括一次长达300秒的连续燃烧，据信这是旋转爆震火箭发动机有史以来最长的连续燃烧记录。PermiAM：Chakram背后的增材制造技术Chakram项目的核心是PermiAM，这是一种由Astrobotic和Elementum3D联合开发的专利金属增材制造技术，能够实现打印金属部件内部孔隙率的可调性。精确控制材料的孔隙率对热管理、燃烧稳定性和推进效率有着直接的影响，而这三项正是RDRE设计中最具挑战性的工程难题。支持该计划的 NASA SBIR合同专门针对新型喷射器设计以及 PermiAM 在 RDRE 组件中的应用，使增材制造不再是边缘贡献，而是基础贡献。结果印证了这一基础。每个原型机都产生了超过4000磅的推力，使“查克拉姆”跻身迄今为止演示过的最强大的RDRE（反应堆推进式发动机）之列，几乎所有热试车都达到了热稳态，这是发动机稳定、持续运行的标志。 △美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心（MSFC）成功完成了“查克拉姆”旋转爆震火箭发动机（RDRE）的热试车。图片来自Astrobotic公司。RDRE 的独特之处与通过连续稳态燃烧推进剂的传统火箭发动机不同，旋转爆震火箭发动机（RDRE）利用围绕环形燃烧室旋转的超音速爆震波。这一过程能够从相同燃料中提取更多可用能量，使比冲提高高达15%，推重比更高，并且整体发动机体积更小、重量更轻。一直以来，挑战在于如何稳定地控制这些爆震波，使其具备实用性，而查克拉姆的测试活动恰恰证明了这一点。 Astrobotic公司Chakram项目首席研究员布莱恩特·阿瓦洛斯（Bryant Avalos）表示：“Chakram发动机的表现远超我们的预期。对于任何像RDRE这样的尖端技术，从设计到测试的整个过程中，我们总会担心一些可能对性能产生关键影响的未知因素。但这款发动机的表现甚至比预期还要出色。300秒的燃烧更是锦上添花。像这样的演示表明，RDRE技术可以支持Astrobotic公司的多种任务，从未来月球着陆器的推进系统到在轨转移飞行器，以及其他有助于拓展地月空间作业能力的应用。” △高速摄影照片显示了Astrobotic公司Chakram热火测试中的爆炸波。照片由Astrobotic公司提供。后续步骤和未来应用Astrobotic计划将Chakram技术应用于即将推出的多个飞行器，包括Griffin级月球着陆器、Xodiac级和Xogdor级可重复使用火箭，以及正在研发中的轨道转移飞行器。项目的下一阶段将重点关注再生冷却、节流和质量减轻，PermiAM的热管理能力预计仍将是这项工作的核心。 Chakram项目联合研究员莫妮卡·特劳普曼说道：“这次测试活动取得了巨大的成功，我们实现了所有既定目标。这些测试数据为下一阶段的 RDRE研发奠定了坚实的基础，并将有助于指导未来的发动机设计。我对这项技术的未来发展充满期待。”增材制造发动机应用案例几十年来，旋转爆震火箭发动机主要停留在纸面上。燃烧环境、超音速爆震波、极高的热通量以及快速循环的压力，使得传统的机械加工难以满足硬件要求。增材制造改变了这一切。它能够制造出其他方法无法实现的复杂集成结构，例如冷却通道、流道和喷射器喷嘴，并可搭配能够承受旋转爆震火箭发动机内部严苛环境的先进合金，从而效率远超传统的化学火箭发动机。Astrobotic并非唯一一家以此为基础的公司。美国宇航局马歇尔太空飞行中心的RDRE项目也采用了激光粉末床熔融技术，并结合GRCop-42和GRX-810合金，制造出具有传统加工工艺无法复 制的壁面几何形状和冷却结构的推力室。液体推进工程师托马斯·蒂斯利称，正是这些硬件使得RDRE项目得以实际应用。2025 年 4 月，Venus Aerospace 将 NASA SBIR 开发的激光粉末床熔融喷嘴集成到 RDRE 平台中，首席技术官称打印组件已准备好集成到未来的着陆器、轨道转移飞行器和高超音速无人机中。Astrobotic 的Chakram 活动围绕专有的 PermiAM 孔隙率控制工艺展开，现在又增加了据称是记录中最长时间的持续 RDRE 燃烧，这为不断增长的证据库增添了新的内容。来自：南极熊 来源：增材制造硕博联盟