NASA разработало компоненты ракетного двигателя, напечатанные на 3D-принтере, которые могут использоваться в рамках проекта Artemis для полёта астронавтов на Луну и подготовки к будущей миссии на Марс.
В рамках своего проекта Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology (RAMPT) NASA оптимизировало технологию направленного осаждения энергией из выдуваемого порошка (DED) для изготовления нескольких крупноформатных деталей. Усовершенствованный процесс печати позволил NASA значительно сократить сроки и затраты на производство сложных компонентов двигателя, таких как сопла и камеры сгорания.
«Этот технологический прогресс является значительным, поскольку он позволяет нам производить самые сложные и дорогие детали ракетных двигателей по более низкой цене, чем в прошлом», - сказал Дрю Хоуп, менеджер программы NASA Game Changing Development Program, финансирующей RAMPT. «Кроме того, это позволит компаниям в аэрокосмической отрасли и за ее пределами делать то же самое и применять эту производственную технологию в медицинской, транспортной и инфраструктурной отраслях».
NASA создало свою RAMPT программу по разработке новых технологий производства, с общей целью увеличения масштаба и эффективности тяги камеры в сборе. В настоящее время на изготовление ракетной камеры уходит больше всего времени, она самая дорогая и самая тяжелая из всех компонентов, составляющих системы ракетных двигателей NASA.
Работая с государственными и отраслевыми партнерами, RAMPT не только снижает стоимость двигателя, но и разрабатывает интегрированную специализированную цепочку поставок материалов, оборудования и испытаний.
Например, сотрудничая с Обернским университетом, RAMPT вместе с рядом производственных компаний разрабатывает коммерческие технологии 3D-печати. Такое партнерство не только позволяет RAMPT разделять расходы, связанные с разработкой, но и оптимизировать передовое аддитивное производство для использования в других отраслях.
Недавно компания RAMPT добилась значительных успехов в разработке усовершенствованной технологии 3D-печати DED, которая позволила ей создавать многочисленные детали ракет. Метод печати заключается в впрыскивании металлического порошка в нагретую лазером ванну расплавленного металла (или ванну его расплава). Затем печатающая головка, состоящая из выдувного порошкового сопла и лазерной оптики, прикрепляется к роботу, который создает компоненты в процессе послойного создания.
Используя появляющуюся технологию, ученые NASA смогли изготовить гораздо более крупные детали, чем это было возможно ранее, которые ограничены только размером помещения, в котором они созданы. Также было доказано, что новый процесс DED позволяет создавать очень сложные детали, такие как форсунки двигателя с внутренними каналами охлаждающей жидкости.
Сопла ракетных двигателей, которые имеют внутренние каналы охлаждения, имеют преимущество, поскольку они могут пропускать криогенное топливо через свои канавки, чтобы поддерживать устройство при безопасных температурах. Изготовление критически важных деталей с DED-печатью также занимает меньше времени, а производственные затраты значительно снижаются по сравнению с теми, которые создаются с использованием традиционных методов производства.
«Традиционное производство сопел - сложный процесс, и он может занять очень много времени, - сказал Пол Градл (Paul Gradl), соучредитель RAMPT в Центре космических полетов NASA им. Маршалла. «Аддитивное производство DED с выдувом порошка позволяет нам создавать крупномасштабные компоненты со сложными внутренними особенностями, которые ранее были невозможны».
NASA внедрило новый процесс 3D-печати DED для производства одного из самых больших сопел, которые когда-либо печатала организация. Сопло диаметром 40 дюймов и высотой 38 дюймов с полностью интегрированными охлаждающими каналами было изготовлено всего за 30 дней. Для сравнения, при использовании традиционных методов сварки на изготовление устройства потребовался бы целый год.
Успех проекта RAMPT привлек внимание ракетной группы NASA Space Launch System (SLS), которая активно участвует в космической программе Artemis. Теперь экипаж SLS планирует и дальше инвестировать в усовершенствованную технологию DED, чтобы сертифицировать процесс космического полета. В будущем команда SLS намеревается работать с RAMPT для создания и оценки сопла с канальным охлаждением до 5 футов в диаметре и почти 7 футов в высоту.
«Производство сопел со стенками канала и других компонентов с использованием этого нового типа аддитивного производства может позволить нам производить двигатели SLS в необходимом масштабе с сокращенным графиком и сниженными затратами», - заключил Джонни Хефлин (Johnny Heflin), менеджер отдела жидких двигателей программы SLS.
NASA часто сотрудничало с коммерческими фирмами в целях создания усовершенствованных деталей ракет и содействия внедрению технологии 3D-печати в авиационной отрасли.
Работая вместе с компанией по запуску спутников Virgin Orbit в мае прошлого года, NASA изготовило рабочую камеру сгорания ракетного двигателя, напечатанную на 3D-принтере. Медный компонент успешно прошел испытательные стрельбы в Центре космических полетов им. Маршалла (MSFC), обеспечив тягу до 2000 фунтов.
В сотрудничестве с авиакосмической компанией Boeing NASA использовало 3D-печать для изоляции наиболее уязвимых частей своей ракеты для дальнего космоса Artemis. Совместная команда разработала, протестировала и напечатала на 3D-принтере точную форму, которая защищала пространство вокруг частей, генерирующих тягу ракеты.
Лаборатория реактивного движения NASA (JPL) также использовала технологию генеративного проектирования американской фирмы Autodesk, занимающуюся разработкой программного обеспечения, для создания межпланетного посадочного модуля. Программное обеспечение Autodesk было использовано, чтобы уменьшить вес деталей, напечатанных на 3D-принтере, которые используются для производства транспортного средства, что позволяет использовать в процессе больше инструментов для исследования космоса.