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Jun 19, 2023

Multiplo

Condividi questo articolo In un ambiente ostile e spietato, sono necessarie numerose decisioni di progettazione, una produzione complicata e l'integrazione dei componenti per i test a fuoco caldo dei motori a razzo a propellente liquido.

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In un ambiente ostile e spietato, sono necessarie numerose decisioni di progettazione, una produzione complicata e l’integrazione dei componenti per i test a fuoco caldo dei motori a razzo a propellente liquido. Sapendo che le cose possono andare storte in pochi millisecondi, il rombo del motore e l'emozione della prova a volte possono farti dimenticare di respirare. Sebbene complesso e impegnativo, il processo di progettazione dei motori a razzo di solito non è il luogo in cui sorgono problemi significativi.

La produzione e l'assemblaggio di componenti in un sistema complesso richiedono tempi, costi e competenze significativi per soddisfare i requisiti di integrazione e prestazioni. Tuttavia, la promessa della produzione additiva (AM) per le applicazioni di propulsione si sta dimostrando in tutto il settore aerospaziale per parti critiche e per consentire la progettazione di razzi che prima non erano possibili. Tecniche all'avanguardia come l'AM vengono utilizzate per ridurre il numero di parti, ottimizzare il peso e consentire geometrie delle parti più complesse. L'AM riduce significativamente i costi dei componenti di produzione e i tempi di consegna. La produzione additiva consente inoltre un ciclo di progettazione-errore-correzione molto più rapido per sviluppare e testare i primi prototipi prima di passare alla produzione.

La NASA ha un ruolo fondamentale per aiutare a risolvere alcune delle sfide di produzione migliorando al tempo stesso le prestazioni dei motori a razzo. Un esempio di sviluppo ad alto rischio e alta ricompensa è il progetto RAMPT (Game Changing Development Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) della NASA.

RAMPT ha coinvolto l'industria, gli spazi commerciali e il mondo accademico per promuovere e integrare diversi processi di produzione additiva e avanzata e dimostrarli attraverso test a fuoco caldo. La camera di combustione e l'ugello del motore a razzo liquido sono spesso realizzati con un'unica lega utilizzando uno dei tanti processi di produzione additiva metallica. RAMPT ha esplorato nuove ricerche per creare nuove leghe abilitanti, componenti AM multi-lega e combinare diversi processi AM in metallo per un’ulteriore ottimizzazione dei progetti AM. Questa filosofia ha spinto il team a unire nuovi progetti di produzione additiva con altre tecniche di rivestimento in composito di produzione avanzata per ridurre ulteriormente il peso (Figura 1).

Figura 1. Concetto RAMPT che utilizza AM multi-lega, LP-DED su larga scala e rivestimento esterno in composito integrato nel gruppo della camera di spinta di un motore a razzo (NASA).

La scalabilità è stata una delle sfide affrontate dal team RAMPT. La NASA, insieme ai partner del settore, ha avanzato il processo AM di deposizione di energia diretta da polvere laser (LP-DED) per dimostrare la geometria complessa del canale interno a parete sottile su scale superiori a 1 metro di diametro. Questo mirava all'ugello raffreddato a canale. Il processo LP-DED a forma libera consente la produzione additiva su larga scala, non vincolata dalla build box. In soli 90 giorni il progetto RAMPT ha stampato uno dei più grandi ugelli AM prodotti dalla NASA utilizzando LP-DED, che comprendeva oltre 1.000 canali interni e misurava 1,5 m (59 pollici) di diametro e 1,8 m (72 pollici) di altezza (Figura 2) . Nell'ambito del progetto RAMPT è stato sviluppato anche un rivestimento per ugelli del motore a razzo RS-25 in scala reale con un diametro di 2,4 m (95 pollici) e un'altezza di 2,8 m (111 pollici), ma non includeva canali interni (Figura 2).

Figura 2. Ugelli per la deposizione di energia diretta su larga scala. (Sinistra) Ugello a canale integrale da 1,5 m di diametro e 1,8 m di altezza utilizzando la lega NASA HR-1 [NASA / RPMI]. (A destra) Rivestimento da 2,4 m di diametro e 2,8 m di altezza utilizzando LP-DED a doppia testa con lega JBK-75 (NASA / DM3D).

Figura 3. Varie scale di camere di spinta AM con rivestimento composito multi-lega e multi-processo sviluppate nell'ambito del progetto RAMPT (NASA).

La NASA ha accumulato oltre 100.000 secondi di test a fuoco caldo su varie parti e sistemi AM. Questa esperienza ha aiutato la NASA a comprendere molte delle sfide e dei limiti dell’AM e ha contribuito a stabilire standard per la certificazione dei componenti AM. Per far avanzare ulteriormente la tecnologia nell'ambito del progetto RAMPT, le camere di spinta integrate da 2.000 lbf (8,9 kN) e 7.000 lbf (31 kN) sono state testate a fuoco caldo presso il banco di prova 115 del Marshall Space Flight Center (MSFC) della NASA (Figura 4). Sono stati condotti anche test sulla camera di spinta disaccoppiata (imbullonata) a 35.000 lbf (156 kN) per ottenere dati sulla camera L-PBF GRCop-42 e sull'ugello a canale integrale LP-DED HR-1 della NASA (Figura 5). Questi test hanno dimostrato le sfide delle multi-leghe AM, dei processi AM combinati e dell’avvolgimento composito e hanno fornito varie lezioni apprese per l’infusione industriale. I test futuri includeranno un 40.000 lbf (178 kN) completamente accoppiato a pressioni della camera superiori a 1.400 psi (97 bar).