Los microlanzadores son una alternativa a los vehículos de lanzamiento convencionales. Capaz de transportar cargas útiles de hasta 350 kilogramos, estos sistemas de transporte de tamaño medio están diseñados para lanzar pequeños satélites al espacio. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas IWS en Dresde y los expertos aeroespaciales de TU Dresden desarrollaron un motor cohete fabricado de forma aditiva con una boquilla aerospike para microlanzadores. Se espera que el prototipo de metal escalado consuma un 30 por ciento menos de combustible que los motores convencionales. Se destacará en la vista previa de Hannover Messe el 12 de febrero y en el escaparate en el stand C18 en el pabellón 16 en Hannover Messe del 20 al 24 de abril. 2020.

El mercado de satélites pequeños seguramente crecerá en los próximos años. El Reino Unido tiene como objetivo construir un puerto espacial en el norte de Escocia, el primero en suelo europeo. La Federación de Industrias Alemanas (BDI) también ha respaldado la idea de un puerto espacial nacional. Debe servir como plataforma para lanzadores pequeños a medianos que transportan instrumentos de investigación y pequeños satélites al espacio. Estos microlanzadores están diseñados para transportar una carga útil de hasta 350 kilogramos. Los motores Aerospike son un medio eficiente para impulsar estos microlanzadores. Ofrecen la bienvenida perspectiva de una masa mucho menor y un consumo de combustible mucho menor. Un equipo de investigación de Fraunhofer IWS y el Instituto de Ingeniería Aeroespacial de TU Dresden desarrolló, fabricó y probó un motor aerospike durante los últimos dos años. El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) financió el proyecto. Lo que distingue a este motor aerospike de los demás es que su inyector de combustible, La cámara de combustión y la boquilla se imprimen capa por capa en un proceso de fabricación aditiva llamado fusión por lecho de polvo por láser (L-PBF). La boquilla consta de un cuerpo central en forma de púa diseñado para acelerar los gases de combustión.

"La tecnología detrás de los motores aerospike se remonta a la década de 1960. Pero nuestra capacidad para producir motores tan eficientes como este se debe a la libertad que brinda la fabricación aditiva y su integración en cadenas de procesos convencionales, "dice Michael Müller, asistente científico en el Centro de Fabricación Aditiva de Dresde (AMCD), que es operado conjuntamente por Fraunhofer IWS y TU Dresden. Los motores de cohete Aerospike prometen ahorros de combustible de alrededor del 30 por ciento en comparación con los cohetes convencionales. También son más compactos que los sistemas convencionales, lo que reduce la masa del sistema en general. "Cada gramo ahorrado vale su peso en oro en los vuelos espaciales porque hay que poner menos combustible en órbita. Cuanto más pesado es el sistema en general, cuanto más ligera tiene que ser su carga útil, "dice Mirco Riede, gerente de grupo de fabricación 3D en Fraunhofer IWS y colega de Michael Müller. La boquilla aerospike desarrollada por Fraunhofer IWS y TU Dresden se adapta mejor a la presión cambiante en el viaje desde la Tierra a la órbita. Esto lo hace más eficiente, por lo que quema menos combustible que los motores convencionales.

Una boquilla fabricada de forma aditiva con enfriamiento conforme

"Optamos por una forma aditiva de fabricar el cohete metálico porque el motor requiere muy buena refrigeración y necesita canales de refrigeración internos. Este complejo sistema de refrigeración regenerativa con conductos internos laberínticos no se puede fresar ni moldear de forma convencional". ", dice Riede. Aplicado capa por capa, luego se funde el polvo. Esta fusión láser selectiva construye gradualmente un componente con canales de enfriamiento de un milímetro de ancho que siguen los contornos de la cámara de combustión. A continuación, se aspira el polvo residual de los canales. Este metal tiene que soportar rigurosas exigencias, permaneciendo sólido a altas temperaturas y conduciendo bien el calor para asegurar un enfriamiento óptimo. "En la cámara de combustión prevalecen temperaturas de varios miles de grados Celsius, entonces esto requiere enfriamiento activo, "dice Müller.

Los científicos de Fraunhofer IWS y TU Dresden están buscando el sistema de inyección en un intento por aumentar aún más la eficiencia del motor. Llamado CFDμSAT, Este proyecto está en marcha desde enero de 2020 con la participación de Ariane Group y Siemens AG como socios asociados. Los inyectores plantean importantes desafíos de diseño y fabricación. "Los combustibles sirven primero para enfriar el motor. Se calientan y luego son inducidos a la cámara de combustión. El oxígeno líquido y el etanol se agregan por separado para mezclarlos mediante un inyector. La mezcla de gas resultante se enciende. Se expande en la cámara de combustión y luego fluye a través de un espacio en la cámara de combustión para ser descomprimido y acelerado por la boquilla, "señala Müller, explicando cómo este motor produce empuje.

Prueba de fuego caliente del motor

Los investigadores con sede en Dresde ya han probado el prototipo del motor aerospike en una celda de prueba en el Instituto de Ingeniería Aeroespacial de TU Dresden. logrando un tiempo de combustión de 30 segundos. "Este proceso es especial porque ha habido pocos precedentes para las pruebas de boquillas aerospike. Hemos demostrado que un motor a reacción de propulsante líquido en funcionamiento se puede producir mediante la fabricación aditiva, "dice Müller.

Este proyecto es un ejemplo de la estrecha colaboración entre la TU de Dresde y los institutos de investigación no universitarios dentro de un grupo científico denominado concepto DRESDEN. TU Dresden es responsable del diseño y la distribución del motor; Fraunhofer IWS para la fabricación y validación de materiales. Su primer paso fue adaptar el diseño al proceso de fabricación aditiva. Luego, los investigadores seleccionaron y caracterizaron el material. Próximo, Produjeron los dos componentes del motor con el método L-PBF y reelaboraron sus superficies funcionales. Los componentes se unieron mediante soldadura láser y se inspeccionó un escáner de tomografía computarizada en busca de poros y otros defectos. Esta evaluación no destructiva también puede determinar si el polvo sinterizado está obstruyendo los canales de enfriamiento. Este proyecto demuestra cómo los procesos de AM se pueden integrar en las cadenas de procesos actuales de una manera productiva en todas las industrias para avanzar en el estado del arte en la fabricación.