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.

AM-fueled missile proliferation: ¿How to address this threat?

Current exports-control regulations are not prepared to stop Additive Manufacturing (AM) from fueling arms proliferation in the near future: Their spectrum only captures a fraction of the critical equipment and digital data needed to manufacture arms with an AM console, because dual use goods, which they are, generally escape stricter export-controls. 

AM allows creating complex single-pieced shapes that cannot be achieved with subtractive methods, thus limiting the number of needed fixations and with it, the risk of failure. But their most critical feature in this case is that most AM technologies require only a digital model of the desired object, a “build-file” in the form of electronic data, in order to manufacture it almost instantly.

This means that, in theory, the owner of an AM console can manufacture virtually any object, including weapons and other “products that are subject to dual-use and arms exports control”, provided he owns the necessary build-files. And the problem is these build-files are of course extremely easy to transfer by electronic means, like e-mail or FTP for example. This is why AM poses such a challenge to existing exports-control regimes, because it has the potential to enable export control circumvention and contribute to illicit weapon programs.

Initiatives are definitely building up and SIPRI (Stockholm International Peace Research Institute) researchers strongly suggest to start by amending export control regimes so that they can include AM consoles and the equipment they require, especially laser beams and feedstock materials. Pointing out some obvious flaws in existing exports-control regimes, the SIPRI researchers find that when it comes to controlling transfers of missile production equipment, for example, the international Missile Technology Control Regime (MTCR) only limits sales of equipment whose exclusive function is to produce missile systems. Dual-use equipment, such as AM consoles, do not fall under this regulation. Identical issues also affect the transfer of the raw-materials used by the machines. However, the researchers also notice that the overall literature surrounding export controls is progressively opening to the inclusion of dual-use goods in their spectrum to address AM-fueled missile proliferation.