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.

Laboratorios Zucrow: Fabricación Aditiva de Misiles Hipersónicos

El término "supersónico" se refiere a aeronaves que rompen la barrera del sonido a Mach 1, como el ahora retirado Concord y el prometedor Boom Supersonic XB-1, y se extiende hasta Mach 5; esto es, cinco veces la velocidad del sonido. Cuando se alcanza una velocidad superior a Mach 5, se ingresa en el entorno hipersónico y empiezan a complicarse los diseños. Sin embargo, investigadores de los laboratorios Zucrow (Purdue University, Indiana, USA) están demostrando que este entorno inusual puede ser un campo de pruebas perfecto para la Impresión 3D en metal.

Más concretamente, sus trabajos recientes demuestran que las nuevas tecnologías de fabricación aditiva avanzada permiten obtener piezas de uso final completamente densas que ofrezcan una robustez insuperable. Piezas que puedan afrontar condiciones hipersónicas y vivir para contarlo: En palabras de Carson Slabaugh -director de investigación- “Cuando un vehículo vuela tan rápido se produce una compresión y un calentamiento extremos del aire que fluye alrededor y dentro del fuselaje. A Mach 5, se trata de un aumento de seis veces en la temperatura y un aumento de presión de unos cientos de veces. Ese tipo de carga térmica y mecánica hace que el régimen de la aerodinámica y la mecánica estructural cambie por completo en comparación con los sistemas de menor velocidad."

Por encima de Mach 5, la temperatura del aire atmosférico a medida que pasa es de miles de grados, la presión aumenta de manera igualmente extraordinaria, y por si esto fuera poco, el aire mismo puede incluso volverse químicamente reactivo. Todo esto combinado se convierte en un extraordinario reto para cualquier sistema de propulsión de misiles cuyo empuje provenga de la quema de combustible. Para enfrentar este desafío, Slabaugh y su equipo se asociaron con Velo3D para "imprimir" inyectores de combustible con geometrías complejas que logran un rendimiento de mezcla de aire y combustible muy alto, ya que los métodos de fabricación convencionales no podrían haber producido tales piezas, especialmente con las superaleaciones de metal de alta resistencia necesarias para sobrevivir a las condiciones de prueba extremas.

La capacidad de imprimir rápidamente en 3D una variedad de geometrías de inyectores para la cámara de combustión de prueba -en este caso hecha de Hastelloy X, una superaleación de alta resistencia y alta temperatura que soporta un entorno hipersónico- permitió al equipo de Purdue identificar rápidamente qué diseño funcionaba mejor. Los diseños se imprimieron y fueron sometidos a una serie de pruebas relevantes, hasta que en sólo dos semanas el equipo consiguió dar con el producto de mayor rendimiento que presentaba todas las características estacionarias y dinámicas que estaban buscando.

El próximo paso para el equipo ahora es ensamblar una gran variedad de inyectores en una cámara de combustión aún más potente. Velo3D está colaborando con los laboratorios Zucrow para ayudarlos a aprovechar sus capacidades mediante la integración del conjunto de inyectores en un componente impreso de una sola pieza.  partir de ahí, los ingenieros continuarán refinando y ensamblando un sistema de combustión completo, con el objetivo de lograr una capacidad de prueba hipersónica a gran escala para finales de 2022.

Nociones técnicas del 77N6-N1

El 77N6-N1 es un misil perteneciente a la familia de interceptores desarrollada para los sistemas de defensa aérea estratégica S-400 y S-500.

Técnicamente, es una modificación mejorada del misil guiado antiaéreo de ultra largo alcance 9M82MV, que en este caso cuenta con una carga de propulsor sólido más masiva y de "larga duración" para la primera etapa, aumentando su alcance hasta 500-600 km, y hasta 200 km de altitud.

Estos misiles pueden ir equipados con una ojiva nuclear táctica pequeña, con una ojiva convencional, o con una ojiva cinética del tipo "hit-to-kill", pudiendo interceptar misiles de crucero hipersónicos, misiles balísticos intercontinentales, objetivos aéreos que se desplacen a una velocidad superior a Mach 5 e inferior a Mach 7, así como satélites en órbita baja. 

Hipervelocidad: El "sorpasso" de Rusia y China

La década de 1980 constituyó sin lugar a dudas un periodo único en la historia universal, pero más especialmente si cabe en la historia de los Estados Unidos de America:  La guerra fría tocaba a su fín, y con la caída del comunismo en Rusia y sus estados-satélite se abrió para todo el mundo un periodo de paz, distensión, y coexistencia pacífica.

Pero esto cambió en 2001 después de que alguien decidiera organizar y llevar a cabo los atentados del 11 de septiembre. Ante ese atentado, los estadounidenses reaccionaron con miedo y conmoción. Quizás sintieron que no eran tan invulnerables como pensaban, y que ahora tocaba pelear contra otro tipo de amenazas.

Como respuesta al ataque, Estados Unidos declaró la guerra global contra el terrorismo, iniciando sucesivas intervenciones militares en diversos países de Oriente Medio, y sumiéndose en una espiral bélica tan larga como costosa: El nuevo enemigo era un enemigo sin rostro ni uniforme, dispuesto a morir matando, sin motivaciones materiales, y completamente distinto por tanto a todo lo anterior.

El nuevo enemigo resultaba mucho más difícil de combatir que lo estimado en un primer momento, y la guerra global contra el terror demostraría en poco tiempo que podía ser cualquier cosa, excepto un paseo militar. Pero mientras los Estados Unidos empleaban su esfuerzo en combatir al terrorismo islámico, sus antiguos adversarios fueron poco a poco empleando sus recursos financieros y humanos en la modernización y el desarrollo de su armamento.

Cabe descartar que Estados Unidos no estuviera bien informado sobre los nuevos desarrollos de sus antiguos enemigos, pero es evidente que no quería o no podía prestarles la atención que la amenaza requería. ¿Por qué? La conclusión más lógica es que, teniendo en cuenta que desde las últimas etapas de la Guerra Fría hasta el presente Estados Unidos había demostrado una impresionante superación tecnológica en comparación con Rusia y China, quizá los altos mandos pensasen que no merecían prestarles más atención que al terrorismo islámico.

Sin embargo, parece cada vez más claro que Estados Unidos cometió un error de consecuencias incalculables al despreciar la capacidad del desarrollo militar que podrían llevar a cabo sus antiguos adversarios. Es cierto que sabían de sobra que Rusia contaba con más cabezas nucleares que Estados Unidos, pero confiaban en que ni los rusos ni mucho menos los chinos podrían llegar a tener la capacidad tecnológica de lanzar un ataque relámpago capaz de poner de rodillas a los Estados Unidos de América. Desde luego, los analistas militares erraron en sus cálculos, pues no pensaron, o lo pensaron pero no lo creyeron posible, que tanto Rusia como China pudieran desarrollar armamento estratégico basado en la hipervelocidad.

¿Qué significa el concepto "desarrollar armamento estratégico basado en hipervelocidad"? Significa nada menos que desarrollar la capacidad de lanzar misiles con carga nuclear, capaces de alcanzar velocidades desde Mach-5 hasta Mach-25. Esto permitiría lanzar un primer ataque a gran escala contra Estados Unidos alcanzando objetivos estratégicos en un tiempo tan reducido que recortaría dramáticamente la capacidad de respuesta norteamericana: La velocidad de estas armas por sí sola representa un problema a la hora de autorizar el lanzamiento de un contraataque nuclear, pues en caso de un ataque dirigido contra su territorio, los procesos gubernamentales para dar la orden de ataque podrían ser insuficientemente rápidos para responder en tiempo y forma, dejando Estados Unidos a merced del fuego enemigo.

Ante esta situación, Estados Unidos debe dejar de lado la guerra global contra el terror, y centrarse en el desarrollo de nuevos sistemas defensivos frente a las amenazas antes descritas, basados en hipervelocidad. Esto debe hacerse de manera decidida sin reparar en costes, ya que la historia demuestra una y otra vez que no existe enemigo pequeño, y que prepararse para la guerra es la mejor manera de asegurar la paz. Esto lo vio muy claro Ronald Reagan con su Iniciativa de Defensa Estratégica, y los resultados de ese esfuerzo se vieron recompensados con creces. Cuarenta años más tarde, ¿comprenderán los Estados Unidos y sus aliados que la paz hay que asegurarla... preparándose para una guerra total? 

Additive manufacturing to develop advanced warheads

In words of Richard Truitt -Orbital ATK’s program manager for warhead development programs- “Additive Manufacturing allows us to make complicated geometries, which would benefit a hypersonics application, without the nasty, long schedule,” .

And beyond building warheads rapidly for testing, manufacturing them using 3D Printing capabilities would likely drive down the cost because instead of a machinist starting with a solid chunk of steel or aluminum, which is expensive, and throwing away 99 percent of it, there is no waste. “It’s an enabling technology for us to design and deliver weapons or warheads and get them to the warfighter,” Truitt said.

In what is a major first for the company, Orbital ATK announced the successful test of a partially-3D printed warhead designed for hypersonic weapons. Taking place on March 29, the testing comes just sixty days after conception, with three out of five of the warhead’s major components made using Additive Manufacturing. Speaking to Defense News, Orbital said the test aimed to examine what effects the fragmentation will have on various targets.

Orbital ATK’s efforts are among many initiatives both within U.S. industry and the Defense Department to stay ahead of peer competitors Russia and China, who are both heavily engaged in developing hypersonic weapons. Orbital decided to try Additive Manufacturing on a warhead design for hypersonic applications because the Defense Department is moving full speed ahead with hypersonic technology development in the coming years as it decides how it will employ such weapons.

The company has developed its LEO (Lethality Enhanced Ordnance) warhead capability and some modeling techniques to help look at fragmentation design on certain target sets. In words of Pat Nolan -vice president and general manager of Orbital ATK’s missile products division- “Now we’re coupling our rocket motor hypersonic experience with our warhead design experience to design a warhead that can survive at high speeds, high temperatures, when you’re going that fast,”. The company wants to be ready with the right modeling when hypersonic weapons prototypes and testing begin to ramp up, and the data obtained in the test will be used to measure up against what the engineers believed would happen based on modeling and simulation. The test itself was conducted in a traditional arena where the warhead is hung from above and metal panels surround it in a half circle that are designed to measure how the fragmentation from the warhead disperses upon detonation. High-speed cameras are rigged to measure the velocity of the fragmentation. Another two panels that consist of layers of material -in this case housing insulation- are designed to capture shrapnel in order for the pieces to be measured as well as the depth of perforation.

The 50 lb (22 Kg) warhead went from conception to test in 60 days, according to Truitt. The team began designing the warhead at the start of February, he said, and using Additive Manufacturing to build a large portion of the components cut out at least a month and a half to manufacture the warhead. “If you walk around it, you will see it’s not a cylinder, it’s got some really complicated dimensions. Getting that part in that dimension in a very short time is nearly impossible,” Truitt said. Orbital received the hardware to build the warhead in less than two weeks, he added. “We are really happy to do this test with additive manufactured parts because it is going to tell us, does that actually function the way a normal component would,” Truitt said prior to the test.