2024 年度发明奖得主 – 推力室衬套及制造方法

美国宇航局马歇尔太空飞行中心：推力室组件 (TCA) 是火箭发动机中的关键部件，可提供推力以将运载火箭送入太空。自 20 世纪 60 年代以来，虽然 TCA 性能取得了一些小幅改进，但在减轻重量、缩短开发时间以及降低制造成本方面却没有取得任何进展。这项发明在这三个方面都取得了显著的进步。 

这种推力室衬套和制造方法技术通过使用 3D 打印和大规模增材制造 (AM) 来制造一体式 TCA，从而消除了复杂的螺栓连接。这样就形成了一个组合式燃烧室和喷嘴。一种新型复合材料外包装提供了支撑，使整体质量减少了 40% 以上。TCA 是火箭发动机上最重的部件，因此每减少一磅重量都可以增加有效载荷。其好处包括运载火箭性能显著提高、零件整合以及简化制造，从而降低成本和交货时间。 

液体火箭发动机通过将燃料和氧化剂喷入燃烧室，然后通过喷嘴使热气体膨胀，从而提供推力。发动机的核心部件是 TCA，它由喷射器、燃烧室和喷嘴组成。为了防止 TCA 壁材料达到熔化温度，采用了再生冷却系统。小型内部通道将燃料或氧化剂作为冷却剂循环，然后再将其喷入燃烧室进行燃烧过程。  

TCA 必须承受各种挑战，包括极端温度（从低于 -290°F 的低温到高达 +6,000°F）、高压（高达 6,000 psi）、影响疲劳寿命的苛刻工作周期、发动机动力学和反推力载荷。这需要使用各种材料，并涉及复杂的制造和连接工艺，同时保持极其严格的公差。壁厚可能只有几张纸那么薄，约为 0.02 英寸，这增加了技术挑战的复杂性。 

组合式燃烧室和喷嘴的设计和构造具有几个新颖的特点：（1）NASA 开发的合金铜铬铌 (GRCop-42) 已用于燃烧室，使壁温提高了 45%。（2）整体通道设计支持有效冷却、歧管和一系列功能，有助于集成耦合喷嘴和复合材料包裹。（3）燃烧室及其内部结构采用 NASA 开发的（后来商业化）工艺生产，称为激光粉末床熔合 (L-PBF)。该工艺使用最少的外部材料，使复合材料包裹能够有效地承受高压和各种发动机负载。（4）库存材料和整体特征使用不同的合金将燃烧室喷嘴构建到尾端，从而优化了整体强度重量比。（5）传统上，AM 需要一个构建板来制造零件，但这项创新可以使用燃烧室本身作为构建板。 （6）一种名为激光粉末定向能量沉积（LP-DED）的大规模 AM 工艺是使用 NASA 的一种新型氢环境合金 NASA HR-1（HR = 抗氢）开发的。用于集成腔室和喷嘴的 AM 涉及使用两种不同的 AM 工艺和合金，腔室使用 GRCop-42，喷嘴使用 NASA HR-1。 

复合材料外包装可显著减轻重量，并提供足够的强度来承受所需的压力和负载。各种纤维缠绕技术和纤维取向，在建模模拟的指导下，可有效抵消（枪管）静压、启动和关闭负载、推力和万向节负载。设计到腔室中的独特锁定功能包括转向区域（称为“驼峰”），以消除复杂的工具。 

传统的 TCA 设计包含多个歧管，增加了不必要的重量和螺栓或焊接接头。这些接头需要极其严格的公差、抛光的表面光洁度和复杂的密封机制，以防止泄漏。保持组件和辅助特征（例如剪切唇）之间的精确同心度至关重要，以避免热气循环和接头分离。潜在泄漏的风险可能导致发动机或整个飞行器的灾难性故障。航天飞机挑战者号的悲惨爆炸清楚地提醒我们，接头故障（尽管在这种情况下是固体火箭发动机）可能会带来可怕的后果。相比之下，这种设计通过采用集成的 AM 工艺来创建一体式 TCA，从而消除了这些弱点，大大提高了安全性和效率。 

推力室衬套团队 

• 保罗·R·格雷德尔 
• 克里斯托弗·斯蒂芬·普罗茨 
• 科里·瑞安·梅迪纳 
• 贾斯汀·R·杰克逊 
• 奥马尔·罗伯托·米雷莱斯 
• 桑德拉·埃拉姆·格林 
• 威廉·C·布兰兹迈尔