金屬3D打印旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機，連續(xù)燃燒300秒

2026年5月2日，南極熊獲悉，總部位于匹茲堡的太空機器人和月球物流公司Astrobotic已完成“查克拉姆”（Chakram）旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機的熱試車，增材制造技術(shù)在這一里程碑式的成果中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

兩臺原型機在位于阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心成功完成了 八次測試，累計運行時間超過470秒，其中包括一次長達(dá)300秒的連續(xù)燃燒，據(jù)信這是旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機有史以來最長的連續(xù)燃燒記錄。

PermiAM：Chakram背后的增材制造技術(shù)

Chakram項目的核心是PermiAM，這是一種由Astrobotic和Elementum3D聯(lián)合開發(fā)的專利金屬增材制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)打印金屬部件內(nèi)部孔隙率的可調(diào)性。精確控制材料的孔隙率對熱管理、燃燒穩(wěn)定性和推進效率有著直接的影響，而這三項正是RDRE設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的工程難題。

支持該計劃的 NASA SBIR合同專門針對新型噴射器設(shè)計以及 PermiAM 在 RDRE 組件中的應(yīng)用，使增材制造不再是邊緣貢獻，而是基礎(chǔ)貢獻。結(jié)果印證了這一基礎(chǔ)。每個原型機都產(chǎn)生了超過4000磅的推力，使“查克拉姆”躋身迄今為止演示過的最強大的RDRE（反應(yīng)堆推進式發(fā)動機）之列，幾乎所有熱試車都達(dá)到了熱穩(wěn)態(tài)，這是發(fā)動機穩(wěn)定、持續(xù)運行的標(biāo)志。

△美國宇航局位于阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心（MSFC）成功完成了“查克拉姆”旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機（RDRE）的熱試車。圖片來自Astrobotic公司。

RDRE 的獨特之處

與通過連續(xù)穩(wěn)態(tài)燃燒推進劑的傳統(tǒng)火箭發(fā)動機不同，旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機（RDRE）利用圍繞環(huán)形燃燒室旋轉(zhuǎn)的超音速爆震波。這一過程能夠從相同燃料中提取更多可用能量，使比沖提高高達(dá)15%，推重比更高，并且整體發(fā)動機體積更小、重量更輕。一直以來，挑戰(zhàn)在于如何穩(wěn)定地控制這些爆震波，使其具備實用性，而查克拉姆的測試活動恰恰證明了這一點。

Astrobotic公司Chakram項目首席研究員布萊恩特·阿瓦洛斯（Bryant Avalos）表示：“Chakram發(fā)動機的表現(xiàn)遠(yuǎn)超我們的預(yù)期。對于任何像RDRE這樣的尖端技術(shù)，從設(shè)計到測試的整個過程中，我們總會擔(dān)心一些可能對性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響的未知因素。但這款發(fā)動機的表現(xiàn)甚至比預(yù)期還要出色。300秒的燃燒更是錦上添花。像這樣的演示表明，RDRE技術(shù)可以支持Astrobotic公司的多種任務(wù)，從未來月球著陸器的推進系統(tǒng)到在軌轉(zhuǎn)移飛行器，以及其他有助于拓展地月空間作業(yè)能力的應(yīng)用。”

△高速攝影照片顯示了Astrobotic公司Chakram熱火測試中的爆炸波。照片由Astrobotic公司提供。

后續(xù)步驟和未來應(yīng)用

Astrobotic計劃將Chakram技術(shù)應(yīng)用于即將推出的多個飛行器，包括Griffin級月球著陸器、Xodiac級和Xogdor級可重復(fù)使用火箭，以及正在研發(fā)中的軌道轉(zhuǎn)移飛行器。項目的下一階段將重點關(guān)注再生冷卻、節(jié)流和質(zhì)量減輕，PermiAM的熱管理能力預(yù)計仍將是這項工作的核心。

Chakram項目聯(lián)合研究員莫妮卡·特勞普曼說道：“這次測試活動取得了巨大的成功，我們實現(xiàn)了所有既定目標(biāo)。這些測試數(shù)據(jù)為下一階段的 RDRE研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)，并將有助于指導(dǎo)未來的發(fā)動機設(shè)計。我對這項技術(shù)的未來發(fā)展充滿期待。”

增材制造發(fā)動機應(yīng)用案例

幾十年來，旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機主要停留在紙面上。燃燒環(huán)境、超音速爆震波、極高的熱通量以及快速循環(huán)的壓力，使得傳統(tǒng)的機械加工難以滿足硬件要求。增材制造改變了這一切。它能夠制造出其他方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜集成結(jié)構(gòu)，例如冷卻通道、流道和噴射器噴嘴，并可搭配能夠承受旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機內(nèi)部嚴(yán)苛環(huán)境的先進合金，從而效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動機。

Astrobotic并非唯一一家以此為基礎(chǔ)的公司。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的RDRE項目也采用了激光粉末床熔融技術(shù)，并結(jié)合GRCop-42和GRX-810合金，制造出具有傳統(tǒng)加工工藝無法復(fù)制的壁面幾何形狀和冷卻結(jié)構(gòu)的推力室。液體推進工程師托馬斯·蒂斯利稱，正是這些硬件使得RDRE項目得以實際應(yīng)用。

2025 年 4 月，Venus Aerospace 將 NASA SBIR 開發(fā)的激光粉末床熔融噴嘴集成到 RDRE 平臺中，首席技術(shù)官稱打印組件已準(zhǔn)備好集成到未來的著陸器、軌道轉(zhuǎn)移飛行器和高超音速無人機中。

Astrobotic 的Chakram 活動圍繞專有的 PermiAM 孔隙率控制工藝展開，現(xiàn)在又增加了據(jù)稱是記錄中最長時間的持續(xù) RDRE 燃燒，這為不斷增長的證據(jù)庫增添了新的內(nèi)容。

重點3D打印活動通知預(yù)告

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