Cohetería refinada: estudiantes de Colorado crean una turbobomba de cohete, impresa en 3D

Zachary Lesan y Patrick Watson, dos ambiciosos estudiantes universitarios del programa de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Colorado (CU), se han asociado con CFturbo, Sounding Rocket Lab, SpaceX y Velo3D al objeto de conseguir desarrollar una turbobomba para cohetes económica y fiable.

Esta turbobomba está diseñada para impulsar un motor de 6,000 libras de empuje y es la primera turbobomba de ciclo con generador de gas para vuelo, diseñada y construida por ingenieros de nivel universitario en asociación con Sounding Rocket Lab e impresa en la solución de manufactura aditiva metálica de Velo3D.

EL PROBLEMA DE LOS PUNTOS DE RUPTURA

Hasta antes de la llegada del diseño para Manufactura Aditiva, las turbobombas para motores de cohete alimentados por combustibles en estado líquido, estaban formadas por varias piezas fabricadas por separado y ensambladas, lo cual generaba un punto de ruptura en cada unión.

Aprovechando las posibilidades que ofrece el diseño para manufactura aditiva, Lesan y Watson exploraron la posibilidad de imprimir porciones importantes de la turbobomba como una sola pieza unificada, con un doble objetivo: reducir el número de puntos de ruptura y reducir el peso final del conjunto pero conservando siempre la resistencia mecánica necesaria.

EL PROBLEMA DE LOS CANALES DE REFRIGERACION

Cuanta mayor velocidad adquiere un cohete, mayor es el rozamiento con el aire y por tanto mayor es el recalentamiento del motor. Esto puede constituir un verdadero problema ya que la temperatura puede provocar cambios físicos en los materiales provocando finalmente que el motor falle.

Para evitar el sobrecalentamiento, los motores cuentan con unos canales de refrigeración y en este proyecto, el diseño para manufactura aditiva les permitió integrar canales internos complejos para optimizar el flujo del fluido refrigerante y maximizar el rendimiento del motor.

LA MANUFACTURA ADITIVA, MOTOR DEL CAMBIO

El cambio del sector aeroespacial hacia la fabricación aditiva metálica promete algo más que diseños mejorados: El objetivo es combinar tantas piezas como sea posible en una sola construcción, garantizando la integridad del material, optimizando el peso y el rendimiento y acelerando la fabricación. Este enfoque es revolucionario y económicamente viable, lo cual es especialmente crítico en una industria donde los costos a menudo se disparan.

Si bien el esfuerzo de Zachary y Patrick es innovador, es cierto que no son los únicos que están aprovechando el potencial que representa la Manufactura Aditiva aplicada a la fabricación de cohetes:

Launcher Inc. (ahora parte de Vast Space LLC) ha diseñado un motor (el E-2) que se fabrica por completo en una sola pieza mediante impresión 3D, utilizando aleación de cobre.

Rocket Lab USA Inc. utiliza para su cohete Electron un motor Rutherford predominantemente impreso en 3D.

Space Exploration Technologies Corp. incorpora componentes impresos en 3D en los motores SuperDraco necesarios para el sistema de lanzamiento de la nave Dragon.

Ursa Major Technologies Inc., con sede en Colorado, destaca por ofrecer unos motores de cohete en los que la impresión 3D está presente en el 80% de las piezas.

Israel tiene siete vidas

La geopolítica de la región y la hostilidad manifestada en mayor o menor medida por sus vecinos, dictan que el Estado de Israel haya sido pionero en estrategias de defensa antimisiles, especialmente en la defensa contra los misiles balísticos de corto y mediano alcance ya que vive permanentemente amenazado con sufrir ataques mediante el uso de misiles balísticos y de crucero por parte de ciertos gobiernos y grupos terroristas (Hamás, Hezbolá, Irán y Siria) que representan una amenaza existencial y no dudarán en destruir el estado judío a la menor oportunidad. Vamos a ver en este post cómo se defiende el Estado de Israel.

¿Donde reside la principal amenaza para Israel?

La principal amenaza para la supervivencia del estado judío reside en el uso de misiles balísticos armados con ojivas NBQ; esto es particularmente cierto en el caso de Irán, que está comprometido a desarrollar sus capacidades para la fabricación de ojivas nucleares.

¿Cómo es el sistema antimisiles de Israel?

El sistema antimisiles de Israel es un sistema compuesto por cuatro subsistemas: el Iron Dome y el Patriot contra los misiles de corto alcance, el David's Sling contra los misiles de alcance medio, y el Arrow contra los misiles de largo alcance.

Iron Dome y Patriot

El Iron Dome entró en servicio en 2011 y está diseñado para interceptar proyectiles balísticos pero no proyectiles de crucero. Actualmente estaría compuesto por un número no inferior a 10 baterías, y se afirma que la tasa de éxitos es muy superior al 90%. El Patriot complementa al Iron Dome para la interceptación de aeronaves y misiles de crucero, y cuenta con 3 baterías y un radar AN/TPY-2 dotado de sensores construidos para discriminar los misiles reales de los misiles de señuelo.

David's Sling

David's Sling está diseñado para interceptar misiles balísticos de corto y mediano alcance en la fase terminal.

El sistema fue desarrollado conjuntamente por Rafael Advanced Defense Systems de Israel y Raytheon con sede en EE. UU.

Usando su interceptor Stunner de dos etapas y su radar de misión múltiple, David's Sling se emplea como un sistema de armas flexible multipropósito, capaz de interceptar aeronaves, misiles de crucero y misiles balísticos.

Las pruebas del David's Sling comenzaron en 2014 y el sistema e implementó en mayo de 2018.

Arrow

El sistema Arrow fue desarrollado conjuntamente por Estados Unidos e Israel, y se compone de 6 baterías Arrow, 2 radares de alerta temprana Elta EL/M “Green Pine”, el centro de mando y control Elisra “Golden Citron” y el centro de control de lanzamiento “Brown Hazelnut”.

S-350 VITYAZ: EL MOMENTO DE LA VERDAD

Alexander Mikhailov ha afirmado que afirma que el sistema ruso de misiles tierra-aire S-350 Vityaz es mucho más preciso que el sistema estadounidense de misiles tierra-aire Patriot.

La frase carecería de importancia de no ser porque lo afirma nada menos que el Director de la Oficina de Análisis Político-Militar, grupo de expertos ruso con sede en Moscú.

Mikhailov hizo estas declaraciones durante la exhibición aérea internacional Aero India 2023, celebrada del 13 al 17 de febrero. Según Mikhailov, el sistema de misiles antiaéreos Vityaz es comparable al sistema de misiles Patriot de fabricación estadounidense en términos de características operativas, pero los misiles rusos vuelan más rápido y tienen la capacidad de alcanzar objetivos que vuelan a baja altura: “El Patriot no derriba objetivos que vuelen a una altitud inferior a 100 metros, mientras que el Vityaz derriba objetivos que vuelen a una altitud de 10 metros o más”, dijo el experto ruso a la agencia de noticias estatal rusa TASS.

¿Qué es el S-350 Vityaz?

El S-350 Vityaz es un sistema de misiles tierra-aire de alcance medio desarrollado y fabricado por la Compañía rusa Almaz-Antey. El trabajo de desarrollo del sistema comenzó a principios de la década de 1990 y su primera prueba de vuelo se realizó en 2013. El sistema se presentó por primera vez al público durante el MAKS 2013 en Moscú, y el ejército ruso recibió su primer lote de sistemas en diciembre de 2019.

¿Qué es el Patriot?

El M-104 Patriot es un sistema de misiles tierra-aire producido por Raytheon en Massachusetts y Lockheed Martin Missiles and Fire Control en Florida. Es el principal sistema de misiles de defensa aérea utilizado por el US Army y muchos aliados de la OTAN además del THAAD. 

¿Qué misiles puede disparar el S-350?

El sistema S-350 puede disparar el misil guiado 9M96, que puede desplegarse contra amenazas aéreas y balísticas en un rango de 1,5 a 120 kilómetros y una altitud de 10 a 30.000 metros. También puede disparar el misil guiado de corto alcance 9M100 con un alcance máximo de disparo de diez kilómetros. El 9M100 puede destruir varias amenazas aéreas, incluidos aviones, vehículos aéreos no tripulados (UAVs) y misiles de crucero.

¿En qué radar está basado el S-350?

El S-350 se basa en el radar 50N6 que puede rastrear 100 objetos y atacar ocho objetivos simultáneamente en una distancia superior a los 200 kilómetros.

¿En qué radar está basado el Patriot?

El Patriot se basa en el conjunto de radares AN/MPQ-53 y AN/MPQ-65, un conjunto de radares de barrido electrónico pasivo equipado con ECCM (Electronic counter-countermeasures), IFF (Identification Friend or Foe)  y TVM (Track Via Missile).

¿Hasta qué punto es efectivo el Patriot?

El Patriot es efectivo contra misiles balísticos y aviones, pero se dice que se queda corto frente a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) como los que usan los rebeldes yemeníes contra Arabia Saudita o los drones kamikaze de fabricación iraní que usa el ejercito ruso en Ucrania.

¿Qué problemas ha experimentado el Patriot?

Entre otros problemas no menos importantes, el sistema de misiles Patriot ha experimentado problemas en el campo de batalla a la hora de calcular la velocidad y la altitud de un objetivo, y sus fallos en el software causaron una muerte por fuego amigo en marzo de 2003 cuando una batería derribó por error un cazabombardero Tornado de la RAF que volaba a Kuwait desde Irak. En esa ocasión el derribo se debió a que el radar del sistema identificó erróneamente a la aeronave como un misil ARM (Anti Radiation Missile) capaz de destruir los radares de defensa aérea dirigiéndose a sus emisiones. Pero no era el primero: ese mismo mes, una batería Patriot identificó por error como enemigo a un F-16 de la USAF en Irak, y se dispuso a preparar el lanzamiento de un misil contra la aeronave, que se salvó de ser destruida gracias a que el piloto del F-16 evitó el percance disparando a la batería con un misil de búsqueda de radar. Y tampoco no sería el ultimo: Al mes siguiente y también en Irak, un sistema Patriot derribó un F/A-18 de la US Navy matando al piloto. Se dice que el sistema Patriot asumió que el avión de combate era un misil iraquí. El piloto había visto el misil que se aproximaba e incluso intentó evadirlo sin éxito.

Arsenal nuclear de Rusia: ¿Cómo es su tamaño y quién lo controla?

El presidente Vladimir Putin emitió en fechas recientes una advertencia nuclear a Occidente sobre Ucrania, anunciando que se habían puesto en servicio de combate nuevos sistemas estratégicos. Voy a tratar de exponer en este post cuál es el arsenal nuclear de Rusia, qué tamaño tiene y quién lo comanda.

SUPERPOTENCIA NUCLEAR

Parece un hecho cierto que Rusia, heredera de las armas nucleares de la Unión Soviética, tendría la reserva de ojivas nucleares más grande del mundo. Esto vendría a significar hoy y ahora que Putin controlaría alrededor de 5.977 ojivas de este tipo.

¿EL TAMAÑO IMPORTA?

La clave no estriba en el número de ojivas disponibles, sino en cómo hacer que lleguen al objetivo. Para ello, se utilizan distintos medios terrestres, marítimos y aéreos que conforman lo que se conoce como Triada Nuclear: Misiles lanzados desde tierra, misiles lanzados desde aviones, y misiles lanzados desde submarinos.

¿CÓMO ES LA TRIADA NUCLEAR RUSA?

En cuanto a medios terrestres, Rusia parece tener alrededor de 400 misiles balísticos intercontinentales armados con armas nucleares, que según el Boletín de los Científicos Atómicos podrían ser teóricamente capaces de transportar hasta 1.185 ojivas. En cuanto a medios marítimos, Rusia operaría 10 submarinos armados con armas nucleares, que podrían transportar un máximo de 800 ojivas. Y en cuanto a medios aéreos, tendría entre 60 y 70 bombarderos nucleares.

¿CUÁNTAS OJIVAS ESTÁN DESPLEGADAS Y DÓNDE?

De esas 5.977 ojivas a disposición de Rusia, se estima que 1.500 de esas ojivas estarían retiradas (pero probablemente aún intactas), 2.889 estarían en reserva, y alrededor de 1.588 serían ojivas estratégicas ya desplegadas: Alrededor de 812 estarían desplegados en misiles balísticos terrestres, alrededor de 576 estarían desplegadas en misiles balísticos lanzados desde submarinos, y alrededor de 200 estarían desplegadas en bases de bombarderos pesados, según el Boletín de los Científicos Atómicos.

¿QUIÉN DA LA ORDEN DE LANZAMIENTO?

El presidente ruso es quien toma las decisiones en última instancia cuando se trata del uso de armas nucleares rusas, tanto estratégicas como no estratégicas, de acuerdo con la doctrina nuclear de Rusia.

¿DONDE ESTÁ EL BOTÓN NUCLEAR?

El botón de disparo se encuentra en un llamado maletín nuclear, o "Cheget" (llamado así por el Monte Cheget en las montañas del Caucaso), que a su vez está al alcance del presidente en todo momento. También se cree que el ministro de defensa y el jefe del estado mayor general tienen acceso a sendos maletines nucleares. Esencialmente, el maletín es una herramienta de comunicación que vincula al presidente con sus altos mandos militares y de ahí con las fuerzas de cohetes, a través de dos redes electrónicas de mando y control denominadas respectivamente "Kavkaz" y "Kazbek".

¿ES POSIBLE REVOCAR UNA ORDEN DE ATAQUE?

Ciertas imágenes mostradas por el canal de televisión ruso Zvezda TV mostraban lo que decía era uno de los maletines, donde se podían apreciar dos botones: un botón blanco de "lanzar" y un botón rojo de "cancelar". El maletín se activa con una tarjeta flash especial, según Zvezda TV.

¿CÓMO SE ACTÚA EN CASO DE UN ATAQUE INMINENTE?

Si Rusia pensara que se enfrenta a un ataque nuclear estratégico, el presidente, a través de los maletines, enviaría una orden de lanzamiento directo al mando del Estado Mayor y a las unidades de mando de reserva que posean códigos nucleares. Tales órdenes son transmitidas rápidamente en cascada hacia las unidades de cohetes estratégicos que procederán a disparar sus respectivos misiles a cargo contra los objetivos programados.

¿CÓMO SE ACTÚA EN CASO DE UN ATAQUE YA CONFIRMADO?

Si se confirmara un ataque nuclear, el presidente podría activar el llamado sistema de "Mano Muerta" o "Perímetro" de último recurso: esencialmente las computadoras decidirían el fin del mundo. Un ordenador de control se encargaría de ejecutar un programa de ataques nucleares desde todo el vasto arsenal de Rusia.

GAMMA-H: ¿Ganas de revancha?

El Pentágono quiere descubrir cómo fabricar misiles hipersónicos de manera más eficiente a través de un nuevo programa de fabricación aditiva denominado GAMMA-H (Growing Additive Manufacturing Maturity for Airbreathing Hypersonics) cuyo objetivo a grandes rasgos no es otro que desarrollar técnicas de impresión 3D que permitan obtener piezas aptas para cumplir los estándares de temperatura y propulsión propios de los misiles hipersónicos.

Este tipo de misiles que está caracterizado por desplazarse a velocidades superiores a Mach 5 (esto es, superiores a 1.700 metros por segundo) representa un doble reto estratégico y tecnológico ya que si por un lado es necesario rediseñar las piezas de una manera tal que el resultado no es posible de fabricarse por métodos convencionales, por otro lado sus principales competidores (China y Rusia) llevan la delantera en esta carrera, lo cual genera ganas de revancha en el Pentágono.

El reto de los puntos de ruptura

Entre los muchos retos que representa desplazar un misil a hipervelocidad, hay tres de ellos para los cuales la manufactura aditiva resulta prácticamente obligatoria: los puntos de ruptura, el flujo del aire, y el calor.

Cada unión entre dos piezas de un conjunto representa siempre un punto de ruptura, que por mucho y muy bien que esté resuelto va a tender por pura física a romperse.

Sin embargo, la manufactura aditiva permite convertir un conjunto de piezas en una sola pieza, ya que no existen limitaciones de diseño a la hora de fabricar, y por tanto se disminuye la cantidad de piezas individuales que forman el misil.

El reto del flujo de aire

Hay una ley física por la cual todos los fluidos se comportan como sólidos en función directa de su velocidad.

Esto supone que en condiciones de hipervelocidad, la atmosfera se comportará más como un sólido que como un fluido, lo cual requiere ser compensado para evitar disminuciones de maniobrabilidad y excesos de temperatura.

Para afrontar con éxito este desafío se hace necesario rediseñar las piezas del misil, y esto supone un verdadero reto porque normalmente el diseño resultante es, o puede ser en muchos casos, imposible de obtener por mecanizado... pero siempre será posible mediante manufactura aditiva.

El reto del calor

El contacto del extremo delantero del misil con la atmósfera, genera siempre un rozamiento que a su vez se convierte en calor. 

En condiciones de hipervelocidad, el calor que se genera en el extremo delantero del misil puede ser tan elevado que se hace necesario pensar en el uso de materiales que aguanten esas temperaturas.

Este reto puede afrontarse con la utilización de materiales cerámicos, lo cual supone a su vez otro reto, y es cómo generar piezas de ciertas geometrías complejas, fabricándolas con cerámica. Ante este reto, existen tambien algunas soluciones basadas en el uso de la manufactura aditiva.

Lockheed Martin empieza otra era

La Fabricación Aditiva ha recorrido un largo camino en un corto espacio de tiempo, transformándose de una curiosidad científica a una herramienta de fabricación con un potencial casi ilimitado.

Este método está basado en diferentes tecnologías, pero todas involucran un proceso encaminado a unir material para crear un objeto 3D. Si bien originalmente solo servía para fabricar piezas mínimamente funcionales o puramente estéticas, hoy día permite fabricar piezas complejas 100% funcionales para uso militar, incluidas piezas y componentes de misiles.

Cuando hablamos de producir piezas de misiles mediante fabricación aditiva, es inevitable mencionar a Lockheed Martin, que a día de hoy está liderando el camino con un centro propio de fabricación de piezas complejas mediante impresión 3D -Additive Design and Manufacturing Center (ADMC)- que no en vano se ha convertido en la primera organización en obtener la certificación UL 3400.

Esta acreditación demuestra que Lockheed Martin tiene un conjunto de directivas de seguridad basadas en pruebas, que abordan los diversos peligros asociados con las instalaciones de fabricación aditiva. En palabras de Balu Nair -ingeniero principal de desarrollo de fabricación aditiva de UL- "Los empleadores, los empleados, los reguladores locales, así como las compañías de seguros que tienen que suscribir las instalaciones de fabricación aditiva, no eran plenamente conscientes de los riesgos inherentes a los materiales y la tecnología. No había una sola norma o directiva legal disponible que se centrara específicamente en la fabricación aditiva, y en su lugar se utilizaron otras normas y directivas concebidas para los procesos de fabricación convencional. Nosotros decidimos abordar esta necesidad insatisfecha de la industria mediante el desarrollo de un conjunto de directivas centradas exclusivamente en la fabricación aditiva".

La norma UL 3400 se publicó el año pasado, y la instalación de Lockheed Martin marca la primera de su tipo en cumplir con los estándares establecidos en la misma. La UL 3400 contempla requisitos de seguridad tanto de materiales como de equipos, así como de la instalación e infraestructura asociada. También requiere que toda la maquinaria de fabricación aditiva dentro de la instalación haya sido acreditada por terceros, y que se lleve a cabo regularmente una capacitación extensiva y constante de la fuerza laboral. Esta norma se basa en marcos de estándares de seguridad existentes establecidos por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA), la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA), la propia UL y la ASTM International.

Lockheed Martin y Sintavia: creemos en vosotros

Lockheed Martin Corporation (NYSE: LMT) y Sintavia LLC, anunciaron a principios del mes pasado un acuerdo de colaboración para ampliar la investigación sobre posibles aplicaciones de la manufactura aditiva con materiales metálicos como alternativa a la fabricación tradicional mediante forja o fundición.

La manufactura aditiva -también conocida como impresión 3D- representa para los fabricantes de piecerío metálico una capacidad extraordinariamente superior a la que representa la manufactura tradicional mediante forja o fundición, a la hora de obtener piezas de diseño óptimo y mejorar la eficiencia en las cadenas de suministro de las mismas.

Sintavia es un proveedor de servicios de manufactura aditiva que cuenta entre sus clientes principales a Lockheed Martin, cliente al que viene apoyando en sus programas de fabricación de piecerío metálico mediante manufactura aditiva. En este caso la relación entre ambas compañías ha dado un paso más, y este nuevo acuerdo irá encaminado a explorar ciertas tecnologías de manufactura aditiva, más concretamente la fusión de lecho de polvo mediante láser (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) la deposición de energía dirigida por haz de electrones (Electron Beam-Directed Energy Deposition - EB-DED) y la manufactura aditiva mediante agitación y fricción (Friction Stir AM).

Esta colaboración está basada en la iniciativa de la Casa Blanca "AM Forward", anunciada por el presidente Joe Biden el pasado mes de mayo, iniciativa destinada a fortalecer las cadenas de suministro de Estados Unidos mediante el apoyo a la implementación de la manufactura aditiva en los procesos fabriles que se lleven a cabo en territorio estadounidense: En palabras de Brian Neff, fundador y CEO de Sintavia, "Sintavia y Lockheed Martin están comprometidos a mejorar la capacidad, la agilidad y la competitividad de la base de suministro industrial de la industria militar, y a tal efecto nuestra asociación con Lockheed Martin busca identificar y optimizar las ineficiencias de fabricación, específicamente en la producción de estructuras críticas de vuelo". Y en palabras de David Tatro -director de procesos de fabricación en Lockheed Martin- "La colaboración de Lockheed Martin con Sintavia demuestra nuestra dedicación a la campaña AM Forward de la Casa Blanca para reducir los costos operativos generales y fortalecer nuestra cadena de suministro nacional, esfuerzos que están en línea con nuestra visión de seguridad del siglo XXI".