改变游戏规则的开发，人族火箭成功发射背后的NASA 3D打印GRCop 燃烧室

2023年3月，Relativity Space的人族Terran 1 火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，照亮了夜空。那是初次发射由3D打印部件造成的测试火箭，做为增材造造的一种形式，3D 打印是加强才能和降低成本的关键手艺。Terran 1 火箭带有九个由铜合金造成的增材造造策动机燃烧室，其高温接近 6,000 华氏度。

/ 高强度、高导热性、高抗蠕变

根据3D科学谷，Terran 1首飞的意义在于证明了Relativity Space的倾覆性立异价值：

- 改动了赐与链。以往火箭造造很长的赐与链，将赐与商的需求降为全数本身3D打印造造几乎所有零件。零件数量削减100倍；

- 改动了研发，研发速度提拔10倍；

- 人工智能用于造造，Relativity的3D打印素质是人工智能算法驱动的智能造造。

而在那一切的倾覆性立异价值背后，还离不开NASA的手艺撑持：在克利夫兰的美国宇航局NASA格伦研究中心创建了那个被称为 GRCop 的铜基合金系列，旨在用于高性能火箭策动机的燃烧室。

3D科学谷领会到GRCop 是铜、铬和铌的组合，那种素材专门针对高强度、高导热性、高抗蠕变性停止了优化，那在高温利用中容许更大的应力和应变，具备优良的低周怠倦性能，能够避免素材在高温下失效。

2023年3月发射的Terran 1 火箭尾气

在 20 世纪 80 年代后期，美国宇航局NASA想要开发一种策动机，用于在近地轨道上把持航天器，该策动机能够承担屡次发射。火箭策动机需要在其运行的设想和情况中征服复杂的挑战，包罗屡次启动和封闭，那随便招致关键零部件的磨损。

其时，航天飞机主策动机燃烧室衬里凡是在施行一到五次使命后需要改换，NASA的研究可以表白，GRCop-84 铜合金燃烧室衬里能够轻松实现 100 次庇护办事之间和 500 次策动机寿命使命的目标。

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© NASA

在多年的合金开发过程中，NASA通过其快速阐发和造造推进手艺 (RAMPT)，推进差别版本的 GRCop 合金。比来的迭代名为 GRCop-42，利用多种增材造造办法为火箭策动机造造构造一体化和多素材燃烧室和推力室组件。那些工艺进步了性能，同时显着降低了推力室零部件的重量和成本。

/ 与增材造造手艺的完美连系

根据3D科学谷，贸易航天进进开展开车道，将极大的刺激金属3D打印的开展，2022年增材造造市场发作显著改变，航天军工的需求强势兴起，招致包罗对选区熔融金属3D打印、电弧熔丝增材造造手艺、激光堆积送粉成形、复合素材增材造造手艺的需求都发作了急剧的增长需求。根据AMPower 2023全球工业增材造造市场陈述，2022年选区熔融金属3D打印的一个曲看的开展趋向是超越600mm加工尺寸的大型设备需求上升，此中航空航天范畴购置的金属3D打印设备单台均价在100万欧元以上，一方面称心大尺寸加工零件需求，一方面称心小批量零件的量产造造需求。别的一个特征是此前DED定向能量堆积3D打印手艺普及被用来做为零件修复的一项手艺，而过往一年的开展趋向是那项手艺被越来越多的用于大尺寸零件的造造需求。

次要的航空航天范畴的3D打印金属素材

NASA 发现 GRCop 合金与最新的增材造造办法共同得很好。激光粉末床熔融和定向能量堆积等3D打印造造工艺是目前可用于为许多航空航天利用造造 GRCop 铜合金零部件的手艺，例如 用于Terran 1 人族火箭策动机的造造。

在激光粉末床熔融3D打印过程中，3D打印设备将一层薄薄的粉末展展并根据CAD建模模子抉择性的熔化金属粉末并凝聚成金属固体，反复数千次以构成一个完全的部件。那种层层凝聚素材的体例能够造造出与锻造金属相当的强度。那种办法的长处是能够创建精巧的零件，例如用于燃烧室冷却的内流道、复杂喷嘴和带冷却通道的喷管等。

燃烧室造形成本比力

与激光粉末床熔合比拟，DED 定向能量堆积工艺可消费更大的外形和组件，但可实现的细节相对较少，而且通过DED来加工铜金属素材是具有挑战的。根据3D科学谷的市场看察，加州大学圣地亚哥分校的研究人员在其论文《Directed energy deposition of pure copper using blue laser》中展现了具有明白几何外形的块状 Cu 部件，该部件通过利用蓝色激光的“送粉”-定向能量堆积 (DED) 工艺构建。消费了体积为 1000 立方毫米的接近全密度（高达 99.6%）的部件，那是迄今为行在激光增材造造中报导的最致密的纯铜部件，但与利用近红外激光构建的类似体积部件比拟，其能量密度要低得多 。

NASA造造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42做为具有更高导电性的高强度合金而得到了利用，铜合金因为其高导热性而被期看用于腔室衬里，那带来高效的壁冷却以将腔室热壁连结在高强度温度区域中。根据3D科学谷的领会，NASA开发了消费封锁壁铜合金衬里的才能，使复合素材成为腔室护套做为可行且抱负的抉择。

© NASA

根据3D科学谷的领会，NASA通过DED定向能量堆积增材造造工艺在GRCop-42铜腔室的后端堆积双金属素材，构成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，并实现持续冷却，从而处理了一些设想挑战和螺栓毗连设想的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合素材（PMC）外包拆将整个推力室总成（TCA）停止外包拆。

总之， 将GRCop-42 合金推向贸易空间利用是 NASA 主导的立异若何提拔行业才能并为美国不竭开展的太空经济做出奉献的一个很好的例子。

NASA 向 Relativity Space 供给了其手艺特长，使 GRCop-42 从开发阶段改变为用于现实发射， Relativity Space 已经展现了那些性能更高的火箭策动机部件，通过GRCop 合金的增材造造复杂策动机零件，可用于将来的月球、火星摸索和其他太空使命。