美国国家航空航天局 (NASA) 增材制造项目为该机构和行业火箭制造商塑造未来

增材制造技术（通常称为 3D 打印）在商业领域的广泛应用对于位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的设计工程师来说并不意外，他们的研究创造了更坚固、更轻的材料和制造火箭部件的新制造工艺。

美国宇航局的 RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目处于增材制造领域的前沿——根据该项目联合首席研究员、美国宇航局马歇尔研究中心的保罗·格拉德尔 (Paul Gradl) 的说法，该项目可帮助该机构和工业界生产新型合金和增材制造部件，通常称为 3D 打印。

Gradl 表示：“纵观 NASA 在飞行器和硬件设计、测试和集成方面的悠久历史，我们的核心优势在于应用极其耐用且适合恶劣环境的材料以及创新的组件设计制造工艺。我们力求充分了解每种材料的微观结构和特性，以及它们最终将如何用于组件，然后再将它们提供给飞行行业。”

同样的原理也适用于增材制造，即逐层使用材料构建组件和硬件的精细过程。

RAMPT 项目经理 John Fikes 表示：“RAMPT 项目的目标是支持商业和技术准备，使我们的行业合作伙伴能够应对构建新一代更安全、更具成本效益的深空探索推进系统所固有的挑战。”

自成立以来，RAMPT 已使用新开发的极端环境合金、大型增材制造工艺和先进的复合材料技术，对 3D 打印喷射器、喷嘴和燃烧室硬件进行了 500 次试射，总计超过 16,000 秒。该项目还已开始为主力 RS-25 发动机开发全尺寸版本——专家表示，这可以将其成本降低高达 70%，并将制造时间缩短一半。

随着打印结构越来越大、越来越复杂，增材制造打印规模成为人们关注的一大领域。十年前，大多数 3D 打印部件不超过鞋盒大小。如今，增材制造研究人员正在帮助该行业生产更轻、更坚固、设计更精巧的火箭发动机部件，这些部件高 10 英尺，直径 8 英尺。

“NASA 通过公私合作，将这些突破提供给商业航天业，以帮助他们快速推进自己的新飞行技术，”Gradl 表示。“我们正在解决技术难题，为零件和材料创建新的供应链，并提高该行业快速交付可靠硬件的能力，从而让繁忙的商业太空基础设施更加接近现实。”

RAMPT 项目不仅开发了最终技术，还开发了全面了解该技术的方法，无论其应用是什么。这意味着要开发先进的模拟工具，以便在微观结构层面确定新合金和复合材料的可行性——评估它们如何应对升空时的严酷环境、太空的严寒以及升空、着陆和长距离运输过程中产生的动态应力。

美国宇航局鼓励商业和学术参与的策略是提供公私合作的机会，其中工业界和学术界贡献高达 25% 的项目开发成本，从而使他们从中获益。

例如，NASA 成功交付了一种合金的精制版，称为GRCop42，该合金是近 40 年前在美国宇航局格伦中心发明的，它帮助商业发射提供商 Relativity Space 于 2023 年 3 月发射了第一枚完全3D 打印的火箭。

格雷德尔说：“我们对这些高性能合金的主要目标是在火箭发动机试射环境中对其进行验证，然后将其交付给商业供应商，使其能够制造硬件、发射运载火箭，并培育蓬勃发展的太空基础设施，带来真正的科学、社会和经济回报。”

增材制造硬件开发的一个关键优势是大幅缩短“设计-失败-修复”周期——当工程师开发新硬件时，对其进行地面测试直至失败，以确定硬件在所有可能条件下的设计极限，然后进行相应调整。随着新合金和新设计、新加工技术的创造以及复合材料外包装和其他创新的引入，这种能力变得越来越重要。

RAMPT 项目正是这样做的，它成功推进了新的增材制造合金和工艺，将它们与碳纤维复合材料相结合，以减轻高达 40% 的重量，开发和验证了新的模拟工具——并通过公私合作伙伴关系将所有这些数据提供给业界。

格雷德尔表示：“我们能够在数周内（而不是数年）交付原型，在原本只能对传统制造的硬件进行一两次测试的时间内进行数十次大规模地面测试，最重要的是，我们提供比传统组件更安全、更轻、更便宜的技术解决方案。”

菲克斯补充道：“十年后，我们可能会用全新的材料、采用全新的加工和制造技术来制造火箭发动机，甚至火箭本身。NASA 是这一切的核心。”

RAMPT 项目持续进展，并得到 NASA 和行业合作伙伴的认可。7 月 31 日，RAMPT 团队因其在 NASA 和商业行业深空探索目标方面的卓越表现和贡献，荣获 NASA 2024 年度发明奖。

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领导 RAMPT，其主要支持方包括美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心、位于加利福尼亚州山景城的艾姆斯研究中心、位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心和位于阿拉巴马州奥本的奥本大学的工程师和技术人员，以及其他学术合作伙伴和行业承包商的贡献。RAMPT 由美国宇航局空间技术任务理事会下的“改变游戏规则的发展计划”资助。