提高火箭材料层面的可靠性

扎克·科尔德罗的研究重点是延长可重复使用火箭的使用寿命，同时降低灾难性故障的风险。

扎克·科德罗教授表示：“新型可重复使用运载火箭可能会通过降低发射成本和改善太空可达性来改变航天工业。”

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照片：David Sella/麻省理工学院企业关系部

SpaceX 猎鹰 9 号可重复使用运载火箭的成功是过去十年最引人注目的技术成就之一。Falcon 9 助推器由 SpaceX 的 Merlin 发动机提供动力，可重复使用 10 次以上，并且每次飞行之间只需极少的维护。

现在出现了新一代可重复使用的火箭发动机和运载工具，它们有望提供更大的有效载荷和更高的重复使用率。与猎鹰 9 号不同，这艘 390 英尺高的 SpaceX 星舰由新型猛禽发动机提供动力，可以着陆助推器和第二级进行重复使用，从而进一步降低发射成本。蓝色起源拥有自己的下一代 BE-4 发动机，将为 320 英尺长的新格伦运载火箭提供动力。

麻省理工学院航空航天系职业发展助理教授 Zack Cordero 表示：“新型可重复使用运载火箭可能会通过降低发射成本和改善太空可达性来改变航天工业。” “这将使诸如用于天基互联网的巨型星座和用于持续、实时 CO 2排放监测等的天基传感等应用成为可能。”

然而，诸如 2023 年 4 月 SpaceX 星舰原型爆炸之类的发射失败表明，新设计仍然存在严重的可靠性问题。在星舰爆炸中，助推级的 33 个猛禽发动机中约有 6 个似乎出现故障。6 月，蓝色起源的 BE-4 发动机在验收测试期间发生爆炸，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，”科德罗说。“除非材料技术取得根本性进步，否则这些新型重型运载火箭将继续失败，这是一个真实的、未被充分认识的风险。”

位于麻省理工学院航空航天材料与结构实验室的 Cordero 实验室接受了这一挑战，开展了一系列旨在解决材料层面可靠性问题的项目。Cordero 与 NASA 等合作伙伴合作，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，NASA 计划使用 Starship 执行阿耳忒弥斯载人登月任务。目标是降低维护成本并延长可重复使用火箭的使用寿命，同时减少灾难性故障的可能性。

可重复使用火箭研究只是 Cordero 实验室致力于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制造更大空间结构的技术，例如太阳能电池、太阳帆和反射器，这些技术通过重型可重复使用火箭更大的有效载荷来实现。Cordero 的新颖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执行器精确地勾勒出反射器表面的轮廓。

更大的可重复使用火箭=更大的可靠性挑战

与传统的一次性火箭不同，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操纵以实现软着陆。它们还需要更强的热保护，以承受再入过程中的极端空气热。

“对于可重复使用的火箭，推进装置需要进行不同的设计，”科德罗说。“使用可重复使用的液体推进剂火箭发动机，您必须确保多个飞行周期的安全运行，并放松性能以减轻压力。”

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 发动机以不同的动力循环运行，”Cordero 说道。“新的分级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，从而延长了涡轮机硬件的使用寿命。然而，新的动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。”

科德罗正试图强化限制可重复使用火箭发动机寿命的部件，首先是对液体推进剂加压的涡轮泵。其他易损部件包括推进剂燃烧产生热气体的推力室，以及排出气体的喷嘴。

涡轮泵、腔室和喷嘴的长期磨损并不总是会导致灾难性的爆炸。然而，它们增加了维护和修理成本，而这些成本已计入总体发射有效载荷成本。

“失败行为的范围很广，”科德罗说。“推力室可能会开始破裂，但仍能继续发挥作用。然而，涡轮泵可能存在更严重的问题。叶盘（一种转子盘）可能会出现故障，或者在富氧涡轮泵的情况下，转子和壳体之间可能会出现摩擦。新发动机还容易受到粒子撞击点火的影响，在这种情况下，FOD（异物和碎片）会加速进入表面，从而点燃硬件。在涡轮泵中，这些点火模式可能会导致金属火灾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日益增强

增材制造现已广泛应用于航天工业，包括使用激光动力床融合打印机打印运载火箭零件。“太空可能是金属增材制造的最大用户，并且基本上决定了技术的发展，”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。

“对于大型结构的金属 3D 打印是否经济存在争议，”Cordero 说。然而，改进的质量控制和资格协议使得大型关键任务飞行设备得到了更多的应用。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大型涡轮泵，”Cordero 说。“我们的技术可实现新颖的设计，提高热效率或抵抗高温或快速热瞬变的能力。”

全流分级燃烧（Raptor）和富氧分级燃烧（BE-4）发动机面临的一项关键挑战是氧化剂兼容性问题。“在涡轮机和下游硬件中，您经常会看到高温高压氧气，它会引发金属火灾和快速的高能故障模式，”Cordero 说。

一种解决方案是设计一种在旋转硬件中具有更大间隙的泵。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本质上与氧兼容的材料。“用金属增材制造制造富氧涡轮泵可以更轻松地集成与高压、高温氧气环境更兼容的特殊材料，”Cordero 说。

Cordero 实验室正在通过两个项目来探索这种方法。第一个是开发与氧相容的陶瓷涂层，以防止颗粒撞击点燃。第二个是创造抗点燃的增材制造材料，可以将其打印成复杂的净形状以避免摩擦点燃。

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。“涂层的优点在于，您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。

该材料改进了传统燃气轮机设计中当前使用的陶瓷涂层。“传统的航空涂层在火箭中常见的快速热瞬变下往往会分层和破裂，”Cordero 说。“在航空发动机中，发动机会在一分多钟内启动，然后在起飞前空转几分钟。相比之下，火箭发动机会在瞬间全速运转。从极低温度到极高温度的快速变化会产生令人难以置信的应力，导致传统涂层脱落。”

为了解决这个问题，Cordero 使用嵌入金属延性相的增韧陶瓷涂层，通过裂纹桥接抑制分层。“如果陶瓷涂层中出现裂纹，它们会被金属夹杂物桥接并固定到位，从而帮助陶瓷涂层承受热瞬变，”Cordero 说。

Cordero 实验室已成功测试了具有火箭中常见热瞬变特性的涂层。“现在我们正在探索如何将它们应用到现实世界的飞行硬件中，并优化其组成和设计以实现更高的涡轮入口温度，”Cordero 说。

研究人员正在与 NASA 合作，研究使用不同厚度、颗粒尺寸和操作条件的涂层的颗粒冲击耐燃性。“我们对延性相增韧环境屏障涂料基本原理的研究应该使我们能够开发出具有专门针对不同应用的化学成分和性能的新型涂料，”Cordero 说。一种潜在的应用是“覆盖高超音速飞行器的航空表面面积”。

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