SpaceX公司猎鹰9号可重复使用运载火箭的成功是过去十年中最显著的技术成就之一。由SpaceX公司的梅林发动机提供动力，猎鹰9号助推器可以重复使用10次以上，飞行之间的维护最少。
现在有了新一代可重复使用的火箭发动机和运载工具，它们承诺更大的有效载荷和更大的重复使用。与猎鹰9号不同，这艘390英尺高的SpaceX星际飞船由其新型猛禽发动机提供动力，可以将助推器和第二级同时着陆，以便重复使用，从而进一步降低发射成本。蓝色起源拥有自己的下一代BE-4发动机，将为其320英尺的新格伦运载火箭提供动力。
“新型可重复使用的运载火箭很可能通过降低发射成本和改善太空可达性来改变太空工业，”麻省理工学院航空航天专业的埃斯特和哈罗德·e·埃杰顿职业发展助理教授扎克·科德罗说。“这将使天基互联网的巨型星座和天基传感等应用成为可能，比如持续、实时的二氧化碳排放监测。”
然而，像2023年4月SpaceX的星际飞船原型爆炸这样的发射失败表明，新设计仍然存在重大的可靠性问题。在星舰爆炸中，33个猛禽助推级的发动机中大约有6个出现了故障。今年6月，蓝色起源公司的BE-4发动机在验收测试中爆炸，表明该发动机也面临类似的挑战。
Cordero说道:“人们认为《Starship》将会获得成功，但事实并非如此。“除非材料技术取得根本性的进步，否则这些新的重型运载火箭将继续失败，这是一个真实的、未被充分认识的风险。”
位于麻省理工学院航空航天材料与结构实验室的Cordero实验室已经接受了这一挑战，并开展了一系列旨在解决材料层面可靠性问题的项目。Cordero与包括美国国家航空航天局(NASA)在内的合作伙伴合作，利用增材制造(AM)、加工科学、材料工程和结构设计方面的专业知识。美国国家航空航天局计划利用星际飞船执行阿尔忒弥斯(Artemis)登月任务。目标是降低维护成本，延长可重复使用火箭的使用寿命，同时减少灾难性故障的可能性。
可重复使用火箭研究只是Cordero实验室解决新兴航空航天应用的几个项目之一。Cordero还在开发大型空间结构(如太阳能电池、太阳帆和反射器)的太空制造技术，这些技术是由可重复使用的重型火箭的更大有效载荷实现的。Cordero的新制造技术利用塑性变形将金属原料折叠成网状结构。然后，这些结构可以使用嵌入式静电致动器精确地轮廓反射器表面。
更大的可重复使用火箭=更大的可靠性挑战
与传统的一次性火箭不同，可重复使用的运载火箭必须集成组件和设计元素，使运载火箭能够自动机动进行软着陆。它们还需要更大的热保护，以承受再入时的极端空气热加热。
“推进装置需要为可重复使用的火箭设计不同的装置，”Cordero说。“对于可重复使用的液体推进剂火箭发动机，您必须确保在多个飞行周期中安全运行，并减轻性能压力。”
更大、更强大的可重复使用火箭使这些设计增加更具挑战性。科德罗说:“与梅林发动机相比，SpaceX的猛禽和蓝色起源的BE4发动机在不同的动力循环下运行。”“新的分级燃烧动力循环更易于重复使用，因为它们降低了涡轮入口温度，延长了涡轮硬件的使用寿命。然而，新的电力循环带来了更大的灾难性故障风险。氧兼容性和金属火灾是关键的挑战。”
Cordero正试图加强限制可重复使用火箭发动机寿命的部件，从给液体推进剂加压的涡轮泵开始。其他脆弱的部件包括推进剂燃烧产生热气体的推力室，以及气体排出的喷嘴。
涡轮泵、腔室和喷嘴的长期磨损并不总是以灾难性的爆炸告终。然而，它们增加了维护和维修成本，这是考虑到总体发射有效载荷成本的因素。
“失败行为的范围很广，”科尔德罗说。“推力室可能开始破裂，但仍能继续工作。然而，涡轮泵可能有更严重的问题。可能会出现圆盘(一种转子圆盘)故障，或者在富氧涡轮泵的情况下，转子和机壳之间会发生摩擦。新发动机也容易受到颗粒撞击点火的影响，在这种情况下，FOD(异物和碎片)会加速进入表面，点燃硬件。在涡轮泵中，这些点火模式可能导致金属火灾和灾难性的单点故障模式，从而导致车辆爆炸。”
AM在可重复使用火箭中的作用越来越大
增材制造现在广泛应用于航天工业，包括用激光动力床聚变打印机打印运载火箭的部件。科尔德罗说:“太空可能是金属增材制造的最大用户，基本上决定着技术的发展。”
增材制造经常用于打印金属推进装置，如燃气发电机发动机中使用的小型泵。然而，它只是选择性地用于较大的增压级发动机及其涡轮泵。
“关于大型结构的金属3D打印是否经济存在争议，”Cordero说。然而，改进的质量控制和鉴定协议使大型关键任务飞行设备得到了更大的应用。下一步是开发提高可靠性的新材料。
Cordero说:“我们正在开发先进的材料，可以在更大的涡轮泵上更多地使用AM。”“我们的技术使新颖的设计具有更高的热效率或抗高温或快速热瞬变的弹性。”
对于全流级燃烧(猛禽)和富氧级燃烧(BE-4)发动机来说，一个关键的挑战是氧化剂的兼容性问题。Cordero说:“在涡轮机和下游硬件中，你经常会看到高温高压氧气，它可以驱动金属火灾和快速的能量失效模式。”
一种解决方案是设计一个在旋转硬件中具有较大间隙的泵。然而，由于这种方法降低了性能，Cordero选择了另一种方法:使用金属增材制造更具有内在氧相容性的材料。Cordero说:“用金属增材制造富氧涡轮泵，可以更容易地集成与高压、高温氧气环境更兼容的特殊材料。”
Cordero实验室正在两个项目中采用这种方法。第一个是开发氧兼容陶瓷涂层，防止颗粒撞击着火。第二种是制造耐点火的增材制造材料，这种材料可以打印成复杂的网状形状，以避免摩擦点火。
和我一起加固涂层滑石延展性相
在涂层项目中，富氧涡轮泵中的固定和旋转部件涂有内部陶瓷涂层，以防止热量传递到基材并保护金属免受高压氧气的影响。Cordero说:“涂层的优势在于，你可以将它们应用于几乎任何类型的硬件，无论是印刷的、铸造的还是锻造的。”
该材料改进了目前用于传统燃气轮机设计的陶瓷涂层。科德罗说:“传统的航空涂层在火箭中典型的快速热瞬态下往往会分层和破裂。”“在航空发动机中，发动机在一分钟内启动，然后在起飞前空转几分钟。相比之下，火箭发动机在瞬间就能全速运转。从极低温度到极高温度的快速变化会产生难以置信的应力，导致传统涂层脱落。”
为了解决这一问题，Cordero使用了嵌入金属韧性相的增韧陶瓷涂层，通过裂缝桥接抑制分层。科尔德罗说:“如果陶瓷涂层出现裂缝，它们会被金属夹杂物桥接并保持在适当的位置，这有助于它承受热瞬变。”
科德罗实验室已经成功地用火箭中常见的典型热瞬态测试了涂层。Cordero说:“现在我们正在探索如何将它们应用于现实世界的飞行硬件，并优化它们的组成和设计，以适应更高的涡轮入口温度。”
研究人员正在与美国国家航空航天局合作，研究不同厚度、颗粒大小和操作条件下涂层的颗粒抗冲击性。Cordero说:“我们对韧性相增韧环境屏障涂层基本原理的研究应该使我们能够开发出具有化学和性能的新涂层，专门针对不同的应用。”一个潜在的应用是“覆盖高超音速飞行器的大面积空气表面”。
印刷耐摩擦合金
Cordero实验室对耐燃合金的研究是与非营利性研发中心Aerospace Corp.合作进行的。该实验室正在研究驱动摩擦点火的机制，这是另一种可能导致金属起火的点火模式。
Cordero说，摩擦点火“就像火柴以每秒300米的速度燃烧一样”，通常是由转子和机壳之间的摩擦引起的。为了降低风险，Cordero正在设计新的可打印高温合金材料，其中包含氧化物纳米颗粒，用于分散强化。这种被称为TGT100的材料“可以打印成复杂的网状形状，并具有同类最佳的抗摩擦点火性能”。
这种耐烧材料将首先用于打印外壳和固定硬件。Cordero已经成立了一家名为Top Grain Technologies的初创公司，该公司将把这种材料以及陶瓷涂层商业化。
Cordero最近开始研究如何使用他的新材料重新设计涡轮泵，以达到超长的使用寿命。Cordero说:“我们的目标是制造一种涡轮泵，它可以在更换或修理部件之前承受数百次热循环。”
解决可重复使用火箭的可靠性问题将需要跨学科的专业知识，而这些专业知识通常不会配对。为此，Cordero最近与麻省理工学院航空航天系和工业联络计划合作，为航空航天工程师推出了一个为期一周的增材制造速成课程。
Cordero还与来自航空航天公司和利哈伊大学的合作者组织了一个年度研讨会，探讨可重复使用火箭发动机的材料挑战。Cordero说:“我们汇集了来自学术界、工业界和政府的专家，讨论关键的技术挑战。”
科尔德罗说，除了教育之外，学术界和SpaceX和蓝色起源等公司之间还需要更多的合作。他表示:“学术界有更多时间来探索这些更根本的挑战。”“我们的愿景是将可重复使用的火箭发动机的可靠性和可重复使用性提高到航空发动机的标准，这将改变整个行业。”麻省理工学院提供
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引用:在材料层面提高火箭可靠性(2023年，11月28日)2023年11月29日检索自https://techxplore.com/news/2023-11-boosting-rocket-reliability-material.html本文档 作品受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。的有限公司 内容仅供参考之用。
