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.

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.