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.

Manufactura Aditiva en Relativity Space: una pasada

Relativity Space planea hacer uso de la manufactura aditiva para construir cohetes bastante pequeños, capaces de poner satélites en órbita de una manera rápida y económica. El proyecto no parece descabellado a juicio de los inversores, pues la compañía ha recaudado alrededor de 1.200 millones de dólares en solo ocho meses, lo cual representa un nivel frenético de inversión disfrutado por muy pocos en la industria aeroeespacial.

¿Qué planea imprimir?

Relativity planea imprimir en 3D casi todos los componentes de sus cohetes orbitales de 60 metros de altura, llamados Terran 1. Según sus previsiones, la fabricación aditiva les permitiría construir un cohete en menos de un mes, y es por ello que inversores de alto perfil, tales como Black Rock y Fidelity, han decidido apostar fuerte por el proyecto hasta el punto de que su valor se haya disparado hasta superar los 4.000 millones de dólares, convirtiéndose de esta manera en una de las empresas más valiosas en el floreciente sector aeroespacial comercial.

¿Es la única empresa que imprime cohetes en 3D?

Es cierto que otras fábricas de cohetes utilizan impresoras 3D para desarrollar ciertos componentes, pero no para su fabricación final, que es subcontratada a través de una cadena de suministro compleja. Por el contrario, en Relativity Space el 90% de las piezas del cohete están construidas casi en su totalidad mediante robots de un solo brazo, que van depositando y fundiendo polvo metálico hasta construir piezas de diseño intrincado que pueden reemplazar cientos de piezas diminutas: Relativity dice que puede usar menos de 1.000 piezas donde los cohetes tradicionales usan más de 100.000, y su piedra angular es la Stargate, una imponente impresora 3D que, según Relativity Space, es la más grande del mundo e imprime con aleaciones metálicas patentadas.

¿Qué planes tiene a corto, medio y largo plazo?

La ganancia inesperada de efectivo le ha dado a la compañía un impulso muy fuerte, y a corto plazo planea mudarse de su actual factoría en Long Beach a un hangar de 10.000 kilómetros cuadrados donde Boeing solía construir aviones de carga C-17. De igual manera, su fuerza laboral se ha disparado de unas 100 personas a aproximadamente 600, contratando a ingenieros clave de prestigiosas compañías como Blue Origin, Microsoft o SpaceX, entre otras.

Actualmente, la compañía está enfocada actualmente en garantizar que su primera misión Terran 1 sea un éxito, pero no es el único objetivo de la empresa pues está planeando construir un cohete mucho más grande, llamado Terran R, que espera lanzar en 2024. Y para más adelante, la compañía pretendería construir y desplegar una estación espacial en órbita terrestre baja, según archivos publicados por la NASA.

Additive Manufacturing to build missiles: Relativity Space

According to Jordan Noone, co-founder and CTO of Relativity Space, powder-bed printing technologies such as DMLS are becoming common in the aerospace industry. But he noted that DMLS printers and technology are too small and limited in scale to manufacture an entire missile.

Tim Ellis (ex Blue Origin) and Jordan Noone (ex SpaceX) joined in 2015 and decided to start a competing firm. The founders distinguished their company from Blue Origin and SpaceX by setting a novel and ambitious goal: be the first to 3D-print an entire missile.

For testing purposes, Relativity leases space at the Stennis Space Center in Mississippi, where it has completed more than 100 test firings of its Aeon 1 engine. In addition, the company will build and operate a launch complex at Cape Canaveral.

Some organizations have addressed the challenge of large-scale 3D printing and worked on solutions, but they never developed a technology to the point that it could produce components of the quality and complexity required for missiles. “Our goal was to develop a printer that could streamline complicated assemblies by printing them in one piece,” says Noone, who leads the development team. “We architectured a printer that was ideal for our rocket launch vehicle, which is a long, skinny tube with thin walls and unique material properties and inspection criteria.”

Relativity’s patented printing system features an industrial robot arm with an end effector that houses the arc- and laser-deposition technology. An array of sensors surrounds the deposition system and constantly collects data, providing the real-time control necessary to ensure that printing is done with the required precision.

The combination also allows to control thermal input sufficiently to produce the required part properties and geometries. Though Relativity currently focuses mainly on printing with aluminum alloys, the system can print any weldable material, as well as certain nonweldable materials that respond well to the process. Relativity has started exploring the use of materials such as stainless steel and nickel alloys.