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Jun 19, 2023

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Comparta este artículo En un entorno duro e implacable, se necesitan abundantes decisiones de diseño, fabricación complicada e integración de componentes para las pruebas en caliente de motores de cohetes líquidos.

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En un entorno hostil e implacable, se necesitan abundantes decisiones de diseño, fabricación complicada e integración de componentes para las pruebas en caliente de motores de cohetes líquidos. Sabiendo que las cosas pueden salir mal en milisegundos, el ruido del motor y la emoción de la prueba a veces pueden hacer que te olvides de respirar. Aunque complejo y desafiante, el proceso de diseño de motores de cohetes no suele ser el lugar donde surgen problemas importantes.

Fabricar y ensamblar componentes en un sistema complejo implica tiempo, costos y habilidades significativos para cumplir con los requisitos de integración y rendimiento. Sin embargo, la promesa de la fabricación aditiva (AM) para aplicaciones de propulsión se está demostrando en toda la industria aeroespacial para piezas críticas y permitiendo diseños de cohetes que antes no eran posibles. Se utilizan técnicas de vanguardia como AM para reducir el número de piezas, optimizar el peso y permitir una geometría de piezas más compleja. La fabricación aditiva reduce significativamente los costos de los componentes de fabricación y los plazos de entrega. La fabricación aditiva también permite un ciclo de diseño y reparación de fallas mucho más rápido para desarrollar y probar los primeros prototipos antes de pasar a producción.

La NASA tiene un papel vital para ayudar a resolver algunos de los desafíos de fabricación y al mismo tiempo mejorar el rendimiento del motor de cohete. Un ejemplo de desarrollo de alto riesgo y alta recompensa es el proyecto de tecnología de propulsión de fabricación y análisis rápido de desarrollo revolucionario (RAMPT) de la NASA.

RAMPT involucró a la industria, el espacio comercial y el mundo académico para avanzar e integrar varios procesos de fabricación avanzada y de fabricación avanzada y probarlos mediante pruebas intensivas. La cámara de combustión y la boquilla del motor de cohete líquido a menudo se fabrican a partir de una sola aleación utilizando uno de los muchos procesos de fabricación aditiva de metales. RAMPT exploró nuevas investigaciones para crear nuevas aleaciones habilitantes, componentes de AM de aleaciones múltiples y combinar varios de los procesos de AM de metales para una mayor optimización de los diseños de AM. Esta filosofía llevó al equipo a fusionar diseños novedosos de AM con otras técnicas avanzadas de envoltura compuesta de fabricación para reducir aún más el peso (Figura 1).

Figura 1. Concepto RAMPT que utiliza AM de aleaciones múltiples, LP-DED a gran escala y envoltura compuesta integrada en un conjunto de cámara de empuje de motor de cohete (NASA).

La escala fue uno de los desafíos que superó el equipo RAMPT. La NASA, junto con socios de la industria, avanzó en el proceso AM de deposición de energía dirigida por polvo láser (LP-DED) para demostrar una geometría compleja de canal interno de pared delgada a escalas superiores a 1 metro de diámetro. Esto tenía como objetivo la boquilla enfriada por canal. El proceso LP-DED de forma libre permite la fabricación aditiva a gran escala, sin estar limitada por la caja de construcción. En solo 90 días, el proyecto RAMPT imprimió una de las boquillas AM más grandes que la NASA haya producido utilizando LP-DED, que incluía más de 1000 canales internos y medía 1,5 m (59 pulgadas) de diámetro y 1,8 m (72 pulgadas) de alto (Figura 2). . En el marco del proyecto RAMPT también se desarrolló un revestimiento de boquilla de motor de cohete RS-25 a gran escala con un diámetro de 2,4 m (95 pulgadas) y una altura de 2,8 m (111 pulgadas), pero no incluía canales internos (Figura 2).

Figura 2. Boquillas de deposición de energía dirigida a gran escala. (Izquierda) Boquilla de canal integral de 1,5 m de diámetro y 1,8 m de altura utilizando la aleación NASA HR-1 [NASA/RPMI]. (Derecha) Revestimiento de 2,4 m de diámetro y 2,8 m de altura que utiliza LP-DED de doble cabezal con aleación JBK-75 (NASA/DM3D).

Figura 3. Varias escalas de cámaras de empuje AM multiproceso y de aleación múltiple con envoltura compuesta desarrolladas en el marco del proyecto RAMPT (NASA).

La NASA ha acumulado más de 100.000 segundos de pruebas de fuego caliente en varias piezas y sistemas AM. Esta experiencia ha ayudado a la NASA a comprender muchos de los desafíos y limitaciones de la AM y a establecer estándares para la certificación de componentes de AM. Para seguir avanzando en la tecnología del proyecto RAMPT, se probaron cámaras de empuje integradas de 2000 lbf (8,9 kN) y 7000 lbf (31 kN) en caliente en el banco de pruebas 115 del Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) de la NASA (Figura 4). También se realizaron pruebas de cámara de empuje de desacoplamiento (atornillada) a 35 000 lbf (156 kN) para obtener datos sobre la cámara L-PBF GRCop-42 y la boquilla de canal integral HR-1 LP-DED de NASA (Figura 5). Estas pruebas demostraron los desafíos de las aleaciones múltiples de AM, los procesos de AM combinados y la envoltura compuesta y proporcionaron varias lecciones aprendidas para la infusión de la industria. Las pruebas futuras incluirán 40.000 lbf (178 kN) completamente acoplados a presiones de cámara superiores a 1.400 psi (97 bar).

Figura 4. Prueba de fuego en caliente de una cámara GRCop-42 L-PBF acoplada con envoltura compuesta y una boquilla LP-DED NASA HR-1 (NASA).

RAMPT utilizó un enfoque de proceso de AM combinado de aleaciones múltiples junto con aplicaciones compuestas complejas y capacidades avanzadas de simulación de AM para desarrollar tecnología de motores de cohetes líquidos con refrigeración regenerativa a gran escala. El proyecto RAMPT redujo los plazos de entrega del ciclo de vida de diseño, análisis, fabricación y ensamblaje en más de un 50 %. También disminuyó el número de piezas en más de 10 veces, lo que redujo el peso en más de un 30 % y aumentó la confiabilidad. Los logros adicionales de RAMPT incluyeron involucrar a la comunidad manufacturera y facilitar la infusión de tecnología en la industria comercial a través de asociaciones público-privadas para crear una cadena de suministro saludable. Todos los datos generados en el marco del proyecto RAMPT están disponibles para los socios de la industria.

Figura 5. Prueba de fuego caliente de una cámara de combustión bimetálica GRCop-42 L-PBF/Inconel 625 LP-DED de 35 000 lbf AM y una boquilla LP-DED con canales integrales (NASA).

La NASA participaen Additive Manufacturing Strategies, que se llevará a cabo en la ciudad de Nueva York del 7 al 9 de febrero de 2023. Paul Gradl, ingeniero principal, experto en la materia, en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA (MSFC) participará en la Sesión 3, Charla 2: Metal AM para Rocket Engines: Éxitos y fracasos, el 8 de febrero. Regístrese para obtener su boleto para asistir aquí.

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