1972年12月19日下午，阿波罗17号的指挥服务舱CSM-114“美洲”号坠入太平洋，载着机组人员和货物安全返回家园。这一事件标志着美国宇航局长达11年的探月计划的结束，也是人类最后一次访问月球。在一定程度上要感谢加利福尼亚州洛杉矶的Aerojet rocketdyne公司——一家在太空飞行和火箭推进方面有着骄人传统的制造商——我们很快就会回去，这次是留下来。
见见阿波罗的妹妹
在希腊神话中，阿波罗是掌管海神、太阳神和天神的十二位奥林匹斯神之一。因此，美国国家航空航天局将下一次月球探险以神的孪生姐妹和月球女神阿耳忒弥斯命名是再合适不过的了。虽然阿波罗号的许多任务都取得了巨大成功，对美国太空计划的延续至关重要，但阿耳特弥斯号的目标要远大得多。
从2022年开始，美国宇航局将把无人驾驶的猎户座宇宙飞船送入月球轨道，然后载人着陆，建造月球栖息地和配套基础设施，最终为访问火星做准备。据NASA局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)称，NASA及其合作伙伴将在本十年结束前完成这一任务，而且其购买力仅为1964年阿波罗项目发展顶峰时期的一半。
实现这些雄心勃勃的计划的技术是什么呢?增材制造(AM)，也就是3D打印。Aerojet Rocketdyne公司的航空工程师和任务架构师詹姆斯·霍顿(James Horton)说:“就像任何复杂的努力一样，你的成本越低，你完成它的机会就越大，月球也不例外。”“Metal AM在实现这些目标方面发挥着关键作用。”
以传统为基础
Aerojet Rocketdyne在金属AM领域有着悠久的历史。20多年来，该公司投入了大量的时间和资源来利用这项重要技术，将其大部分精力集中在激光粉末床熔合(LPBF)上。正是由于这些努力，这家航空制造商已经能够成功地为各种项目设计和集成3d打印最终用途组件，其中包括将携带阿耳特弥斯号任务进入太空的巨大RS-25发动机。
霍顿一直在那里。自2008年以来，他一直担任美国宇航局和国防部火箭发动机设计、开发和试飞操作的领导角色。他在Aerojet Rocketdyne的先进推进团队目前正致力于化学、电力和核推进，以支持美国宇航局的深空探索工作，包括阿尔特弥斯项目。
他会告诉你，当金属AM与先进的设计和模拟软件结合使用时，为今天的航空航天工程师提供了“前辈们完全无法获得的一整套解决方案，提供了无与伦比的不妥协的创新能力。”正因为如此，Aerojet Rocketdyne已经能够降低推进成本，加快上市时间，并以前所未有的方式提高其产品的性能。
举个例子
最近的一个例子是一个关键的子系统，阿波罗工程师称之为“四轴”反应控制系统(RCS)。阿波罗RCS包括四个单独的R-4D双推进剂推进器，最初由马夸特公司设计，使用自燃(自燃)四氧化二氮和肼作为推进剂。每个登月舱和服务舱都有四个四边形，每个四边形产生超过100磅的推力，以控制航天器在飞行过程中的滚转、俯仰和偏航。经过一系列的收购，Aerojet Rocketdyne最终获得了R4-D的所有权，打算在未来的航天器上使用现在所谓的“反应控制系统”(RCS)。
考虑到最初的RCS设计已经有60多年的历史，霍顿和他的团队认识到一个改进的机会，并开始了许多内部研发(IRAD)项目之一，旨在优化阿尔忒弥斯计划和其他商业月球项目所需的系统。以RCS为例，他们寻找减少发动机部件数量、增加其可靠性、使组装和使用更容易的方法，所有这些都将降低项目成本，同时提高航天器性能。金属AM检查了所有的箱子。
霍顿说:“在整个阿波罗计划期间，美国宇航局生产了650多个推进器，以支持6次登月。”“这是一个巨大的数字，这让我们相信我们正在做一件大事——我们知道，如果我们能让RCS负担得起，我们就可以对任何现在和未来的项目产生积极的影响。”
他们还想利用火箭燃料的进步。霍顿解释说，多年来，推进工程师已经了解到，在前面提到的燃料氧化剂四氧化氮中加入25%的一氧化氮，可以将其凝固点从- 9°C(16°F)降低到- 55°C(−67°F)。由于这降低了防止太空中燃料管道结冰所需的加热系统的质量和功耗，这为Aerojet Rocketdyne提供了一个重要的机会。只有一个问题:刚刚描述的MON-25燃料不稳定，霍顿认为这种情况“在火箭中是一件糟糕的事情”。
证明概念
在这个问题上，金属AM再次成为了答案，因为它允许团队打印特殊的喷油器几何图形，可以稳定地燃烧燃料。他们很快用镍基高温合金Inconel 718设计并制作了一个概念模型，但不幸的是，他们的金属3D打印机遇到了限制。
Horton表示:“由于考虑到悬垂问题，我们必须以45度角建造RCS注入器主体，并添加了一系列大型支撑结构，以防止在建造过程中发生热翘曲。”“支架之后需要加工，增加了产品成本，同时定向角度造成的表面质量不理想。当然还有改进的空间。”
与此同时，他们意识到还有大量的轻量化和拓扑优化空间。霍顿指出，在重新设计的过程中，他们删除了“大块”不必要的材料，但这还远远不够完美。他说:“从宇宙飞船上移除的每一磅材料都可以节省发射成本。”“这就是为什么我们求助于nTopology来优化设计，然后又求助于Velo3D来为我们构建它。”
去壳、填充并再次打印
来自纽约工程和设计软件公司nTopology的技术人员很快就能够“剥离”注入器本体的块状结构，在复杂的流体端口和通道周围保留一致的壁厚，同时消除应力集中区域。然后，他们用薄的晶格结构填充产生的空洞，增加其强度和刚度，同时只增加最小的重量;由于其“隐式建模”功能，nTopology能够将四柱注入器的质量减半。
Aerojet Rocketdyne团队将优化后的零件文件发送到Velo3D位于加利福尼亚州坎贝尔的工厂，正是在那里，金属AM解决方案提供商给霍顿带来了一些好消息。由于该公司掌握了3d打印钛的技术，这种金属因其强度和重量轻而深受航空航天工业的青睐，RCS注入器体的重量将大大低于Inconel的同类产品。正如Velo3D技术销售工程师Gene Miller所指出的，不需要像第一次迭代那样以一个角度建造它或使用大的块状支架。
米勒说:“我们专有的预打印软件足够直观，可以识别不同的几何特征，并在这些区域应用特定的激光参数，从而尽可能高效地打印，而不需要额外的支撑材料。”“此外，我们是为数不多的金属AM系统供应商之一，可以成功打印大型复杂钛部件而不开裂。我们有一个独特的解决方案，可以减轻印刷材料内部累积的应力，并比市场上其他打印机更能避免破裂。”
最后的结果呢?Aerojet Rocketdyne现在有一个RCS推进器，它的质量是传统制造版本的1/5，尺寸是1/2，成本是1/3。由于它包含的组件少得多，组装起来也更容易，操作过程中发生故障的几率也小得多。Horton表示:“我们已经证明，通过利用增材制造和先进的软件技术，我们能够插入可负担性，缩短交货时间，并大大提高了系统性能，与我们过去制造部件的方式相比。我们的下一步是演示这个概念的证明，将它带入实际的现场测试，并希望最终获得资格。从那里，它将进入太空。”
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