3月，相对论空间Terran 1号火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射时照亮了夜空。这是第一次发射完全由3D打印部件制成的试验火箭，高100英尺，宽7.5英尺。作为增材制造的一种形式，3D打印是提高能力和降低成本的一项关键技术。Terran 1包括九个由创新铜合金制成的增材制造发动机，其温度接近6000华氏度。

在美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心根据该机构的"改变游戏规则的发展计划"创建的这个铜基合金系列被称为格伦研究铜，或GRCop，被设计用于高性能火箭发动机的燃烧室中。作为铜、铬和铌的组合，GRCop被优化为高强度、高导热性、高抗蠕变性（在高温应用中允许更多的应力和应变）和良好的低循环疲劳（防止材料失效），超过900华氏度。它们能容忍的温度比传统铜合金高40%，这导致了更高的性能组件和可重复使用性。

(资料图片仅供参考)

Terran 1号火箭在2023年3月发射时的排气图。资料来源：相对论空间

在20世纪80年代末，美国宇航局希望开发一种用于在低地球轨道上操纵航天器的发动机，并能经受多次发射。火箭发动机在设计和运行环境方面遇到了复杂的挑战，包括多次启动和关闭，对关键部件造成循环的磨损。

在航天飞机时代，大卫-埃利斯博士作为美国宇航局支持的研究生开发了GRCop系列合金。在他的职业生涯中，他继续使这些合金及其应用更加成熟。

"当时，航天飞机主发动机燃烧室衬里通常在一到五次任务后被更换，"埃利斯解释说。"我们的研究能够表明，GRCop-84将很容易满足100次维修服务和500次发动机寿命的目标。"

在多年的合金开发过程中，埃利斯和他的团队与多个项目和计划合作，如NASA的快速分析和制造推进技术（RAMPT），以推进不同版本的GRCop合金。最近的迭代，命名为GRCop-42，使用各种增材制造方法，为火箭发动机制造单件和多材料燃烧室和推力室组件。这些工艺提高了性能，同时大大降低了推力室组件的重量和成本。

图为增材制造的燃烧室在加工过程中。资料来源：美国国家航空航天局

NASA发现，GRCop合金与最新的增材制造方法搭配得非常好。现代制造方法，如激光粉末床熔融和定向能沉积，是两种可用于制造GRCop部件的方法，可用于许多航空航天应用，如Terran 1火箭发动机。

在激光粉末床熔合中，三维计算机模型被数字化地切成薄层。然后，一台类似于打印机的粉末床机器开始了一个将薄薄的粉末层相互扩散和融合的过程，反复数千次后形成一个完整的零件。这种将各层粘合在一起的过程所产生的材料强度可与锻造的金属相媲美。这种方法的优点是可以创造出精细的部件，例如用于燃烧室和喷嘴的喷嘴和冷却通道。

定向能量沉积（DED）工艺使用激光来创建一个熔池。然后粉末被吹入熔池，冷却后形成固体材料。机器人的三维运动指导建造过程，用激光和吹出的粉末创造整个零件。与激光粉末床熔融技术相比，DED工艺能生产出更大的形状和部件，但精细程度更低。

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首席工程师Paul Gradl说："像RAMPT这样的开发项目，可以推进新的合金和工艺，供商业空间、工业和学术界使用。NASA承担了开发风险，并从早期的材料和工艺概念到认证的过程中使之成熟。这次将GRCop-42合金注入商业空间是另一个很好的例子，说明美国国家航空航天局领导的创新是如何推进行业能力并为美国不断增长的太空经济做出贡献的。"

根据一项可偿还的《空间法》协议，NASA向Relativity Space公司提供了技术专长，使GRCop-42从开发阶段变成了用于发射Terran 1火箭的可飞行产品。相对论空间公司已经表明，这些通过使用GRCop合金的增材制造技术生产的性能更高的火箭发动机部件，可用于未来的月球、火星和其他地方的任务。

改变游戏规则的发展是NASA空间技术任务局的一部分，该局为NASA当前和未来的任务开发新的交叉技术和能力。

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