Изменчивая природа космических ракетных двигателей означает, что многие ранние прототипы в конечном итоге оказываются в грунтовых насыпях или украшают верхушки любых деревьев, которые, к несчастью, находятся по соседству с испытательными площадками. Непреднамеренные взрывы на самом деле настолько распространены, что ученые-ракетчики придумали эвфемизм для обозначения того, когда это происходит: быстрая незапланированная разборка, или сокращенно RUD.
Каждый раз, когда взрывается ракетный двигатель, необходимо найти источник неисправности, чтобы его можно было устранить. Затем разрабатывается, изготавливается, отправляется на испытательный полигон и запускается новый и улучшенный двигатель, и цикл начинается снова — до тех пор, пока не произойдет только медленная, запланированная разборка. Совершенствование ракетных двигателей таким образом является одним из основных источников задержек в развитии быстро развивающейся космической отрасли.
Сегодня технология 3D-печати с использованием жаропрочных металлических сплавов революционизирует разработку ракет методом проб и ошибок. Целые конструкции, для которых ранее требовались сотни отдельных компонентов, теперь могут быть напечатаны за считанные дни. Это означает, что в ближайшие годы вы можете ожидать увидеть гораздо больше ракет, разлетающихся на мелкие кусочки, но детали, из которых они на самом деле сделаны, будут становиться все больше и меньше по мере усиления космической гонки в частном секторе.
Ракетные двигатели генерируют энергию, эквивалентную взрыву тонны тротила каждую секунду, направляя эту энергию в выхлопные газы, температура которых превышает 3000 градусов по Цельсию. Тем двигателям, которые справляются с этим без быстрого и незапланированного демонтажа, требуется не менее трех лет для разработки с нуля, большая часть которых занята циклическим процессом перепроектирования, перестройки, доработки и повторения.
Это потому, что ракетные двигатели невероятно сложны. Двигатели F-1 Saturn V, которые в 1969 году отправили Нила Армстронга на Луну, имели 5600 изготовленных деталей. Многие из них были получены от разных поставщиков и должны были быть индивидуально сварены или скреплены болтами вручную, что требовало времени.
Этот длительный и дорогостоящий процесс, возможно, был бы хорош в 1960-х годах, когда правительство США направляло деньги в НАСА для поддержки космической гонки, но для частных компаний это просто занимает слишком много времени.
Добавить ракетное топливо
Ключом к быстрой разработке двигателя является сокращение количества деталей, что сокращает время, необходимое для сборки двигателя, и сбои, вызванные задержками в цепочке поставок. Самый простой способ сделать это - изменить производственные процессы. Космические компании в настоящее время переходят от субтрактивных производственных процессов, при которых материал удаляется для придания формы детали, к аддитивным производственным процессам, которые создают деталь, добавляя к ней материал по частям.
Это означает 3D-печать. Все чаще инженеры отдают предпочтение процессу, называемому селективным лазерным спеканием, для 3D-печати деталей ракетных двигателей в аддитивном процессе. Он работает, сначала укладывая слой металлического порошка, прежде чем плавить формы в порошок с помощью лазеров. Металл связывается там, где он расплавлен, и остается порошком там, где его нет. Как только форма остынет, добавляется еще один слой порошка, и деталь наращивается слой за слоем. Для ракетных двигателей используется порошок суперсплава меди Инконель, поскольку он выдерживает очень высокие температуры.
Селективное лазерное спекание позволяет печатать несколько компонентов собственными силами, как одну единую деталь, в течение нескольких дней. Когда происходит сбой и неисправность обнаружена, инженеры могут создать исправление с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования, интегрируя очень сложные детали в новые ракетные двигатели для испытательного запуска через несколько дней.
Использование 3D-печати также помогает производителям снизить вес всей ракеты, так как для изготовления их сложной конструкции требуется меньше гаек, болтов и сварных швов. 3D-печать особенно полезна при изготовлении сложной форсунки с регенеративным охлаждением двигателя, которая направляет холодное топливо вокруг горячего двигателя для одновременного охлаждения стенок двигателя и предварительного нагрева холодного топлива перед сгоранием.
Переделка двигателей Apollo F-1 с использованием 3D-печати сократила количество деталей с 5600 до всего 40. Ни одна компания еще не сократила это число до одного, но нельзя отрицать, что 3D-печать открыла новую эру быстрой и отзывчивой разработки ракетных двигателей.
Жизнеспособный бизнес
Это важно для частных космических предприятий. Строительство ракеты обходится недешево. Инвесторы могут стать легкомысленными, когда куча металлолома RUD начнет расти. Компании, соперничающие за запуск полезных грузов в космос, сталкиваются с проблемами в области связей с общественностью всякий раз, когда они вынуждены откладывать свои графики запуска из-за неисправных ракет.
Практически все новые ракетные компании и космические стартапы внедряют технологию 3D-печати на металле. Это ускоряет фазу их развития, помогая им пережить решающие годы, прежде чем им удастся что-либо отправить в космос. Следует отметить Rocket Lab, которая использует свой двигатель с 3D-печатью для запуска ракет из Новой Зеландии, и Relativity Space, которая печатает всю свою ракету в 3D. В Великобритании есть Skyrora и Orbex. Последняя нацелена на запуск ракеты с использованием двигателя, напечатанного на 3D-принтере, уже в 2022 году.
Еще предстоит выяснить, может ли вся ракета, включая ее двигатель, быть напечатана в 3D за один раз. Но это явно направление движения для отрасли, в которой легкое, сложное собственное производство будет определять, какие полезные грузы выходят на орбиту, а какие в конечном итоге быстро исчезают в неподходящий момент.
Это перевод с Space с максимальным сохранением смысла публикации .
Подписывайтесь на канал, ставьте лайки.