3月，相對(duì)論空間Terran 1號(hào)火箭從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射時(shí)照亮了夜空。這是第一次發(fā)射完全由3D打印部件制成的試驗(yàn)火箭，高100英尺，寬7.5英尺。作為增材制造的一種形式，3D打印是提高能力和降低成本的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。Terran 1包括九個(gè)由創(chuàng)新銅合金制成的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)，其溫度接近6000華氏度。

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在美國宇航局位于克利夫蘭的格倫研究中心根據(jù)該機(jī)構(gòu)的"改變游戲規(guī)則的發(fā)展計(jì)劃"創(chuàng)建的這個(gè)銅基合金系列被稱為格倫研究銅，或GRCop，被設(shè)計(jì)用于高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中。作為銅、鉻和鈮的組合，GRCop被優(yōu)化為高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、高抗蠕變性（在高溫應(yīng)用中允許更多的應(yīng)力和應(yīng)變）和良好的低循環(huán)疲勞（防止材料失效），超過900華氏度。它們能容忍的溫度比傳統(tǒng)銅合金高40%，這導(dǎo)致了更高的性能組件和可重復(fù)使用性。

Terran 1號(hào)火箭在2023年3月發(fā)射時(shí)的排氣圖。資料來源：相對(duì)論空間

在20世紀(jì)80年代末，美國宇航局希望開發(fā)一種用于在低地球軌道上操縱航天器的發(fā)動(dòng)機(jī)，并能經(jīng)受多次發(fā)射?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行環(huán)境方面遇到了復(fù)雜的挑戰(zhàn)，包括多次啟動(dòng)和關(guān)閉，對(duì)關(guān)鍵部件造成循環(huán)的磨損。

在航天飛機(jī)時(shí)代，大衛(wèi)-埃利斯博士作為美國宇航局支持的研究生開發(fā)了GRCop系列合金。在他的職業(yè)生涯中，他繼續(xù)使這些合金及其應(yīng)用更加成熟。

"當(dāng)時(shí)，航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯里通常在一到五次任務(wù)后被更換，"埃利斯解釋說。"我們的研究能夠表明，GRCop-84將很容易滿足100次維修服務(wù)和500次發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的目標(biāo)。"

在多年的合金開發(fā)過程中，埃利斯和他的團(tuán)隊(duì)與多個(gè)項(xiàng)目和計(jì)劃合作，如NASA的快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)（RAMPT），以推進(jìn)不同版本的GRCop合金。最近的迭代，命名為GRCop-42，使用各種增材制造方法，為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造單件和多材料燃燒室和推力室組件。這些工藝提高了性能，同時(shí)大大降低了推力室組件的重量和成本。

圖為增材制造的燃燒室在加工過程中。資料來源：美國國家航空航天局

NASA發(fā)現(xiàn)，GRCop合金與最新的增材制造方法搭配得非常好?，F(xiàn)代制造方法，如激光粉末床熔融和定向能沉積，是兩種可用于制造GRCop部件的方法，可用于許多航空航天應(yīng)用，如Terran 1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

在激光粉末床熔合中，三維計(jì)算機(jī)模型被數(shù)字化地切成薄層。然后，一臺(tái)類似于打印機(jī)的粉末床機(jī)器開始了一個(gè)將薄薄的粉末層相互擴(kuò)散和融合的過程，反復(fù)數(shù)千次后形成一個(gè)完整的零件。這種將各層粘合在一起的過程所產(chǎn)生的材料強(qiáng)度可與鍛造的金屬相媲美。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以創(chuàng)造出精細(xì)的部件，例如用于燃燒室和噴嘴的噴嘴和冷卻通道。

定向能量沉積（DED）工藝使用激光來創(chuàng)建一個(gè)熔池。然后粉末被吹入熔池，冷卻后形成固體材料。機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)建造過程，用激光和吹出的粉末創(chuàng)造整個(gè)零件。與激光粉末床熔融技術(shù)相比，DED工藝能生產(chǎn)出更大的形狀和部件，但精細(xì)程度更低。

位于阿拉巴馬州亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的首席工程師Paul Gradl說："像RAMPT這樣的開發(fā)項(xiàng)目，可以推進(jìn)新的合金和工藝，供商業(yè)空間、工業(yè)和學(xué)術(shù)界使用。NASA承擔(dān)了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并從早期的材料和工藝概念到認(rèn)證的過程中使之成熟。這次將GRCop-42合金注入商業(yè)空間是另一個(gè)很好的例子，說明美國國家航空航天局領(lǐng)導(dǎo)的創(chuàng)新是如何推進(jìn)行業(yè)能力并為美國不斷增長的太空經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)的。"

根據(jù)一項(xiàng)可償還的《空間法》協(xié)議，NASA向Relativity Space公司提供了技術(shù)專長，使GRCop-42從開發(fā)階段變成了用于發(fā)射Terran 1火箭的可飛行產(chǎn)品。相對(duì)論空間公司已經(jīng)表明，這些通過使用GRCop合金的增材制造技術(shù)生產(chǎn)的性能更高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件，可用于未來的月球、火星和其他地方的任務(wù)。

改變游戲規(guī)則的發(fā)展是NASA空間技術(shù)任務(wù)局的一部分，該局為NASA當(dāng)前和未來的任務(wù)開發(fā)新的交叉技術(shù)和能力。