Motore a razzo fabbricato in modo addizionale con ugello aerospike per microlauncher

I ricercatori di Dresda hanno già testato il prototipo del motore aerospike sul banco di prova dell’Istituto di ingegneria aerospaziale presso la TU di Dresda (© Fraunhofer IWS Dresden)
Microlauncher è un’alternativa ai lanciatori convenzionali. I sistemi di trasporto di medie dimensioni possono trasportare carichi utili fino a 350 chilogrammi, in futuro porteranno piccoli satelliti nello spazio. I ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e del fascio IWS di Dresda, insieme agli esperti spaziali della TU di Dresda, hanno sviluppato un motore a razzo fabbricato in modo additivo con un ugello aerospike per microlauncher. Si dice che il prototipo di metallo in scala consumi il 30 percento in meno di carburante rispetto ai motori convenzionali.

Il piccolo mercato dei satelliti esploderà nei prossimi anni. La Gran Bretagna sta pianificando il primo porto spaziale sul suolo europeo nel nord della Scozia e anche l’Associazione federale delle industrie tedesche BDI considera utile un porto spaziale in questo paese. Da lì, i lanciatori di piccole e medie dimensioni dovrebbero lanciare strumenti di ricerca e piccoli satelliti. Questi microlauncher sono progettati per un carico utile fino a 350 kg. Un modo efficiente per guidare questi microlauncher sono i cosiddetti motori aerospike. Questi promettono non solo una significativa riduzione della massa, ma anche un notevole risparmio di carburante. Negli ultimi due anni, un team di ricerca della Fraunhofer IWS ha sviluppato, prodotto e testato un tale motore aerospike insieme all’Istituto di ingegneria aerospaziale della TU di Dresda. Il progetto è finanziato dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca BMBF. La particolarità: l’iniettore di carburante, la camera di combustione e l’ugello sono prodotti strato per strato usando Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), un processo di produzione additiva. L’ugello stesso è costituito da un corpo centrale a spillo, attraverso il quale vengono accelerati i gas di combustione. Realizzato strato per strato. L’ugello stesso è costituito da un corpo centrale a spillo, attraverso il quale vengono accelerati i gas di combustione. Realizzato strato per strato. L’ugello stesso è costituito da un corpo centrale a spillo, attraverso il quale vengono accelerati i gas di combustione.

“La concezione tecnologica dei motori aerospike è nata per la prima volta negli anni ’60. Ma è solo attraverso la libertà di produzione additiva e incorporandola nelle catene di processo convenzionali che siamo in grado di produrre motori così efficienti ”, afferma Michael Müller, assistente di ricerca presso Additive ManufacturingCenter Dresden (AMCD), gestito congiuntamente da Fraunhofer IWS e TU Dresden. I motori a razzo aerospike promettono un risparmio di carburante di circa il 30 percento rispetto ai razzi convenzionali. Inoltre, sono più compatti dei sistemi convenzionali, il che riduce la massa dell’intero sistema. “Nei viaggi nello spazio, ogni grammo d’oro risparmiato vale la pena perché devi portare meno carburante in orbita. Più pesante è il sistema complessivo, meno carico utile può essere trasportato ”, spiega Mirko Riede, capogruppo di generazione 3D presso Fraunhofer IWS e collega di Michael Müller. L’ugello Aerospike di Dresda di Fraunhofer IWS e TU Dresden si adatta meglio alle condizioni di pressione sulla strada dalla terra all’orbita. Ciò lo rende più efficiente e consuma meno carburante rispetto ai motori convenzionali.

Ugello fabbricato in modo additivo con raffreddamento vicino al contorno
»Durante la produzione del razzo di metallo, abbiamo optato per la produzione additiva perché il motore richiede ottimi canali di raffreddamento e raffreddamento interno. Questo complesso sistema di raffreddamento rigenerativo con strutture complesse e complesse non può essere instradato o lanciato in modo convenzionale, «afferma Mirko Riede. La polvere viene applicata strato per strato e quindi selettivamente sciolta dal laser. Questo crea gradualmente il componente, inclusi i canali di raffreddamento larghi un millimetro che seguono il contorno della camera di combustione. La polvere viene successivamente aspirata dai canali. Requisiti del metallo: deve essere solido alle alte temperature ed essere in grado di condurre bene il calore per garantire un raffreddamento ottimale. »Nella camera di combustione prevalgono temperature di diverse migliaia di gradi Celsius,

Nel progetto »CFDμSAT«, iniziato nel gennaio 2020, gli scienziati di Fraunhofer IWS e TU Dresden si stanno concentrando sul sistema di iniezione per aumentare ulteriormente l’efficienza dei sistemi di azionamento. I partner associati al progetto sono ArianeGroup e Siemens AG. La fabbricazione degli iniettori pone requisiti particolarmente elevati in termini di progettazione e fabbricazione. »I carburanti vengono inizialmente utilizzati per raffreddare il motore, si riscaldano e vengono quindi introdotti nella camera di combustione. L’ossigeno liquido e l’etanolo vengono alimentati separatamente e riuniti tramite un iniettore. La miscela di gas risultante viene accesa. Si espande nella camera di combustione, quindi scorre attraverso una fessura nella camera di combustione e viene rilassato e accelerato attraverso l’ugello, «Müller spiega il processo di sviluppo della spinta.

Motore nel test del fuoco caldo
I ricercatori di Dresda hanno già testato il prototipo del motore aerospike sul banco di prova dell’Istituto di tecnologia aerospaziale presso la TU di Dresda. Hanno raggiunto un tempo di combustione di 30 secondi. “Questo è un processo speciale, perché non ci sono ancora test sugli ugelli per aerospike”, afferma Müller. “Abbiamo dimostrato che la produzione additiva può produrre un motore liquido funzionante”.

Il progetto è un esempio della stretta collaborazione tra la TU di Dresda e gli istituti di ricerca non universitari nell’ambito della rete scientifica di concetto DRESDEN. Nel progetto, la TU Dresden è responsabile della progettazione e del layout del motore, mentre la Fraunhofer IWS è responsabile della catena di processo nel progetto: nella prima fase, il design è stato adattato al processo di produzione additiva, seguito dalla selezione del materiale e dalla determinazione dei parametri del materiale. Il motore è stato stampato da due componenti usando la fusione del letto di polvere laser e rielaborato sulle superfici funzionali. I componenti sono stati quindi uniti mediante saldatura a raggio laser e controllati per difetti e altri difetti utilizzando la tomografia computerizzata non distruttiva. Per esempio se i canali di raffreddamento sono bloccati dalla polvere sinterizzata. Ciò dimostra, in tutti i settori, come i processi AM possono essere significativamente integrati nelle catene di processi esistenti al fine di favorire gli sviluppi.

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