Когда дело доходит до нынешней эпохи освоения космоса, одной из наиболее важных тенденций является то, как новые технологии и процессы снижают стоимость отправки экипажей и полезной нагрузки в космос. Помимо коммерческого космического сектора и разработки возвращаемых и многоразовых ракет, космические агентства также находят новые способы сделать космос более доступным и недорогим. В их число входит НАСА, которое недавно построило и испытало алюминиевое сопло ракетного двигателя, изготовленное с использованием нового процесса реактивного аддитивного производства для четвертой промышленной революции (RAMFIRE).
Аддитивное производство (АП), также известное как 3D-печать, привело к революции в производстве. В отличие от традиционного машинного производства, которое изготавливает вещи из сырья и выбрасывает то, что не используется, 3D-печать создает компоненты на заказ снизу вверх. Этот производственный процесс практически не создает отходов и является очень быстрым, экономичным и эффективным по сравнению с традиционными методами. Если когда-то она ограничивалась моделированием и прототипированием, то в последние годы области применения этой технологии значительно расширились, включая аэрокосмическую промышленность.
Алюминиевое сопло было разработано NASA в сотрудничестве с ведущей AM-компанией Elementum 3D. Компания Elementum 3D, базирующаяся в Эри, штат Колорадо, специализируется на исследованиях аддитивного производства металлических сплавов, разработке материалов и процессов печати, а также методах масштабного производства. В 2020 году компания была выбрана в рамках Объявления о возможностях сотрудничества по созданию свариваемого типа алюминия, достаточно термостойкого, чтобы его можно было использовать в ракетных двигателях, что привело к созданию алюминиевого варианта, известного как A6061-RAM2.
По сравнению с другими металлами алюминий имеет меньшую плотность и позволяет создавать высокопрочные и легкие компоненты. Однако при традиционном производстве для сопла ракеты может потребоваться тысяча индивидуально соединенных деталей. Это делает алюминий непрактичным, поскольку он имеет низкую устойчивость к экстремальным температурам и склонность к растрескиванию во время сварки. Процесс RAMFIRE, который финансировался Управлением космических технологий НАСА (STMD), устраняет эту проблему, производя алюминиевые компоненты как единое целое, требуя гораздо меньше соединений и значительно сокращая время производства.
Кроме того, форсунки имеют небольшие внутренние каналы, которые обеспечивают достаточную прохладу форсунки и предотвращают ее плавление. Тем временем 3D-принтер RAMFIRE и процесс были разработаны другим коммерческим партнером, RPM Innovations (RPMI). Эта компания из Южной Дакоты специализируется на методе направленного энергетического осаждения (DED), при котором слои порошкового сплава наносятся и сплавляются с помощью лазеров. В сочетании со специализированным алюминиевым порошком Elementum 3D полученный процесс известен как лазерное осаждение энергии, направленное на порошок (LP-DED).
Ранее этим летом два сопла RAMFIRE завершили серию испытаний горячим огнем на Восточном испытательном полигоне Центра космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама. Форсунки хорошо зарекомендовали себя при использовании жидкого кислорода (LOX) и жидкого водорода (LH).2), а также конфигурации топлива LOX и жидкого метана, а также при давлениях, превышающих 5690 килопаскалей (825 фунтов на квадратный дюйм) – выше, чем ожидается для запусков. Сопла успешно завершили 22 пусковых испытания и работали почти 10 минут, продемонстрировав, что они могут работать в самых сложных условиях глубокого космоса. Пол Градл, главный исследователь RAMFIRE в NASA Marshall, заявил в пресс-релизе НАСА:
«Отраслевые партнерские отношения со специализированными производителями помогают развивать базу поставок и помогают сделать аддитивное производство более доступным для миссий НАСА и более широкой коммерческой и аэрокосмической промышленности. Эта серия испытаний знаменует собой важную веху для сопла. Проведя серию сложных испытаний горячим огнем, мы продемонстрировали, что сопло способно выдерживать термические, структурные нагрузки и нагрузки давления, необходимые для двигателя лунного посадочного модуля».
НАСА также продемонстрировало эффективность компонентов, напечатанных на 3D-принтере, в марте 2023 года, когда Relativity Space провела испытательный запуск своей ракеты Terran 1 со станции космических сил на мысе Канаверал во Флориде. Эта испытательная ракета была первой, полностью изготовленной из деталей, напечатанных на 3D-принтере, включая девять двигателей, изготовленных из инновационного сплава, известного как Glenn Research Copper (GRCop). Эти двигатели были изготовлены методом аддитивного производства в Исследовательском центре Гленна НАСА в рамках программы развития агентства, меняющей правила игры, и были способны выдерживать температуры, приближающиеся к 3315 °C (6000 °F), что на 40% выше, чем у традиционных медных сплавов.
Помимо ракетных сопел и двигателей, RAMFIRE также изготовила аэродинамическое сопло диаметром 91 сантиметр (36 дюймов), включающее компоненты для применения в криогенном топливе. Эти инновации имеют решающее значение для программы НАСА «Луна-Марс», которая включает в себя проект «Артемида» и возвращение астронавтов на Луну, а также создание лунной инфраструктуры, необходимой для организации пилотируемых миссий на Марс. Неотъемлемой частью этой программы является возможность отправки более крупных грузов на Луну, Марс и другие места в дальнем космосе.
Производя легкие компоненты ракет, способные выдерживать более высокие структурные нагрузки и экстремальные температуры, НАСА на шаг приблизилось к возвращению на Луну (чтобы остаться) и размещению ботинок на марсианской почве. Сказал Джон Викерс, главный технолог передового производства STMD:
«Масса имеет решающее значение для будущих миссий НАСА в дальний космос. Такие проекты, как этот, развивают аддитивное производство вместе с передовыми материалами и помогут разработать новые двигательные установки, космическое производство и инфраструктуру, необходимую для амбициозных миссий НАСА на Луну, Марс и за их пределы».
Дополнительная литература: НАСА
