在材料层面提高火箭的可靠性

SpaceX猎鹰9号可重复使用运载火箭的成功是过去十年中最引人注目的技术成就之一。猎鹰9号助推器由SpaceX的Merlin发动机提供动力，可以重复使用10次以上，飞行之间的维护最少。

现在有新一代可重复使用的火箭发动机和车辆，它们有望实现更大的有效载荷和更大的重复使用。与猎鹰9号不同，390英尺高的SpaceX星际飞船由其新的猛禽发动机提供动力，可以降落助推器和第二级进行重复使用，从而进一步降低发射成本。Blue Origin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可能会通过降低发射成本和改善太空可及性来改变航天工业，”麻省理工学院航空航天学的Esther和Harold E. Edgerton职业发展助理教授Zack Cordero说。“这将使大型星座等应用成为可能，用于天基互联网和天基传感，用于持续、实时的_{二氧化碳排放监测} 。

然而，2023 年 4 月SpaceX 星际飞船原型机爆炸等发射失败表明，新设计仍然存在重大的可靠性问题。在星际飞船爆炸中，增压级的33台猛禽发动机中约有6台似乎出现故障。今年6月，蓝色起源公司的BE-4发动机在验收测试中爆炸，这表明该发动机也面临着类似的挑战。

“人们认为星际飞船会成功，但这不一定是真的，”科尔德罗说。“除非材料技术取得根本性进步，否则这些新的重型运载火箭将继续失败，这是一个真正的、被低估的风险。

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，开展了各种旨在解决材料层面可靠性问题的项目。Cordero与包括NASA在内的合作伙伴合作，NASA计划将Starship用于载人阿尔忒弥斯登月任务，Cordero正在利用增材制造（AM）、加工科学、材料工程和结构设计方面的专业知识。目标是降低可重复使用的火箭的维护成本并延长使用寿命，同时减少灾难性故障的可能性。

可重复使用的火箭研究只是Cordero实验室解决新兴航空航天应用的几个项目之一。Cordero还在开发用于在太空中制造大型空间结构的技术，如太阳能电池、太阳帆和反射器，这些技术得益于重型可重复使用火箭的更大有效载荷。Cordero的新型制造技术利用塑性变形将金属原料折叠成网状网状结构。然后，这些结构可以使用嵌入式静电致动器精确地勾勒反射器表面的轮廓。

更大的可重复使用火箭 = 更大的可靠性挑战

与传统的消耗性火箭不同，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以实现软着陆。它们还需要更大的热保护，以承受再入大气层期间的极端气动热热。

“推进装置需要为可重复使用的火箭设计不同的方法，”Cordero说。“使用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内安全运行，并降低性能以减轻压力。

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。“与Merlin发动机相比，SpaceX的Raptor和Blue Origin的BE4发动机在不同的动力循环下运行，”Cordero说。“新的分阶段燃烧动力循环更适合重复使用，因为它们降低了涡轮机入口温度，延长了涡轮机硬件的使用寿命。然而，新的电力循环带来了更大的灾难性故障风险。氧气相容性和金属火灾是严峻的挑战。

科德罗正试图加强限制可重复使用火箭发动机寿命的部件，从对液体推进剂加压的涡轮泵开始。其他易受攻击的部件包括推进剂燃烧以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，这些成本被计入整体发射有效载荷成本。

“故障行为范围很广，”Cordero说。“推力室可能会开始破裂，但会继续发挥作用。然而，涡轮泵可能存在更严重的问题。可能会出现叶盘（一种转子盘）故障，或者在富氧涡轮泵的情况下，转子和外壳之间会出现摩擦。新发动机还容易受到粒子撞击点火的影响，其中FOD（异物和碎屑）被加速到表面，点燃硬件。在涡轮泵中，这些点火模式可能导致金属起火和灾难性的单点故障模式，从而导致车辆爆炸。

增材制造在可重复使用火箭中的作用越来越大

增材制造现在广泛用于航天工业，包括使用激光动力床熔融打印机打印运载火箭零件。“太空可能是金属增材制造最重的用户，基本上决定了技术发展，”Cordero说。

增材制造经常用于打印金属推进装置，例如燃气发电机发动机中使用的小型泵。然而，它仅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能够得到更广泛的使用。下一步是开发提高可靠性的新型材料。

“我们正在开发材料进步，这将使增材制造能够更多地用于更大的涡轮泵，”Cordero说。“我们的技术实现了新颖的设计，提高了热效率或对高温或快速热瞬变的弹性。”

全流式分级燃烧 （Raptor） 和富氧级燃烧 （BE-4） 发动机面临的一个关键挑战是氧化剂兼容性问题。“在涡轮机和下游硬件中，你经常看到高温、高压的氧气，它们会引发金属火灾和快速的能量故障模式，”Cordero说。

一种解决方案是在旋转硬件中设计具有较大间隙的泵。然而，由于这种方法会降低性能，Cordero选择了另一条道路：使用金属增材制造来制造更本质上与氧相容的材料。Cordero说：“使用金属增材制造制造富氧涡轮泵，可以更容易地集成与高压、高温氧气环境更相容的奇异材料。

科德罗实验室正在通过两个项目来追求这种方法。首先是开发与氧气相容的陶瓷涂层，以防止颗粒撞击点燃。第二种是制造耐燃增材制造材料，这些材料可以打印成复杂的网状形状，以避免摩擦点火。

使用金属延展相增韧涂层

在涂层项目中，富氧涡轮泵中的固定和旋转部件都涂有内部陶瓷涂层，可防止热量传递到基材并保护金属免受高压氧气的影响。“涂层的优点是，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，”Cordero说。

该材料改进了当前传统燃气轮机设计中使用的陶瓷涂层。“传统的航空涂层往往会在火箭中典型的快速热瞬变下分层和断裂，”Cordero说。“在航空发动机中，发动机在一分钟内启动，然后在起飞前怠速几分钟。相比之下，火箭发动机在一瞬间就全油门了。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。

为了解决这个问题，Cordero使用增韧陶瓷涂层，其中嵌入了金属延展性相，通过裂纹桥接来抑制分层。“如果陶瓷涂层出现裂纹，它们会被金属夹杂物桥接并固定到位，这有助于其承受热瞬变，”Cordero说。

科德罗实验室已经成功地测试了这些涂层，这些涂层具有火箭中常见的热瞬变。“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，以实现更高的涡轮机入口温度，”Cordero说。

研究人员正在与美国宇航局合作，研究使用不同厚度、粒径和操作条件的涂层的颗粒冲击点火阻力。Cordero说：“我们对韧性相增韧环境阻隔涂层基本原理的研究应该使我们能够开发新的涂层，其化学成分和性能专门针对不同的应用进行了调整。一个潜在的应用是“覆盖高超音速飞行器的航空表面”。

打印耐摩擦合金

科德罗实验室对耐燃合金的研究是与航空航天公司合作的，航空航天公司是一家由联邦政府资助的非营利性研发中心。该实验室正在研究驱动摩擦点火的机制，摩擦点火是另一种可能导致金属火灾的点火模式。

Cordero说，摩擦点火，“就像火柴以每秒300米的速度行驶时击打火柴一样”，通常是由转子和外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，这些材料含有氧化物纳米颗粒，用于增强分散性。这种材料被称为TGT100，“可以打印成复杂的网状形状，并提供一流的摩擦点火阻力。

这种耐燃材料将首先用于打印外壳和固定硬件。Cordero推出了一家名为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，以实现极长的使用寿命。“我们的目标是制造一种涡轮泵，在更换或维修部件之前可以承受数百次热循环，”Cordero说。

解决可重复使用火箭的可靠性问题将需要跨学科学科的专业知识，而这些学科通常不会配对。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为期一周的增材制造速成课程。

Cordero还与航空航天公司和利哈伊大学的合作者组织了一次年度研讨会，探讨可重复使用火箭发动机的材料挑战。“我们将来自学术界、工业界和政府的专家聚集在一起，讨论关键的技术挑战，”Cordero说。

Cordero说，除了教育之外，学术界和SpaceX和Blue Origin等公司之间还需要更多的合作。“学者们有更多的时间来探索这些更根本的挑战，”他说。“我们的愿景是使可重复使用的火箭发动机的可靠性和可重复使用性达到航空发动机的标准，这将改变该行业。