Con il razzo a propellente liquido E-2, la produzione additiva migliora le prestazioni critiche del motore a razzo
I satelliti svolgano senza dubbio un ruolo fondamentale nella nostra vita. Non solo forniscono informazioni sulle nuvole, gli oceani, la Terra (permettendo così agli scienziati di prevedere il tempo e il clima), ma sono anche fondamentali per le comunicazioni quotidiane e tanto altro. Oggi i satelliti sono più economici da produrre perché più leggeri rispetto alle versioni precedenti, con conseguenti minori costi di lancio. Di conseguenza, le aziende si stanno muovendo per creare razzi più piccoli e meno costosi. Una delle aziende produttrici di satelliti più importanti sul mercato è Launcher.
La start-up californiana Launcher è stata fondata nel 2017 per far fronte alla crescente domanda che sta superando l’offerta nel mercato dei lanci satellitari (che si prevede crescerà da 8 miliardi di dollari a 38 miliardi di dollari nel 2030). L’azienda combina la tecnologia di propulsione liquida e la stampa 3D in metallo per creare razzi e veicoli di trasferimento efficienti per portare in orbita piccoli satelliti. In particolare, ha concepito il motore a razzo a basso costo Launcher Engine-2 (E2), ottimizzato per la produzione di massa. Si tratta del motore a razzo a propellente liquido più performante della sua categoria, destinato a diventare il componente centrale di spinta del razzo Launcher Light. Per realizzare questo progetto innovativo, Launcher si è rivolta a Stratasys Direct Manufacturing e alla tecnologia di stampa 3D in metallo di Velo3D.
Test del motore (crediti fotografici: Launcher/John Kraus Photography)
Uno sguardo più da vicino al motore a razzo liquido E-2
Come già detto, il motore a razzo liquido Launcher E-2 è stato progettato per far parte dei razzi ad alte prestazioni Launcher. Il motore da 22.000 lbf (libbre-forza), alimentato da LOX (ossigeno liquido)/RP-1 (cherosene), è considerato il motore più performante al mondo per i piccoli lanci. Stampato in 3D con una lega di rame, ha un’efficienza di combustione del 98% e prestazioni di 365s Isp. Inoltre, grazie al suo elevato bilanciamento, la girante della pompa LOX può girare a 30.000 giri al minuto in condizioni criogeniche, trasportando ossigeno liquido.
Tuttavia, la natura innovativa e ad alte prestazioni del razzo E-2 mette in evidenza che non è così semplice da produrre. La turbopompa e la sua girante sono particolarmente impegnative. Max Haot, fondatore e amministratore delegato di Launcher, ha spiegato la difficoltà del progetto, affermando: “Se guardiamo a qualsiasi motore a razzo a propellente liquido in grado di raggiungere l’orbita, la turbopompa è una delle parti più impegnative del progetto… o per lo meno, metà della sfida. E se si parla di una turbopompa per uno stadio di combustione a ciclo chiuso, il livello di sfida aumenta“.
Anche se per il progetto è stata scelta la produzione additiva in metallo, non è possibile commettere errori a questo livello di prestazioni elevate. Haot ha poi commentato: “Voglio sottolineare quanto sia importante questo progetto. Abbiamo a che fare con ossigeno liquido e una girante che gira a 30.000 giri al minuto per produrre circa un megawatt di potenza dalla turbina. In questo tipo di ambiente, con una pressione di scarico di quattromila psi, qualsiasi anomalia, qualsiasi sfregamento tra il rotore e lo statore, può provocare un immediato, rapido e non pianificato smontaggio“. La chiave è quindi rappresentata dalle tecnologie innovative.
Sezione della voluta della pompa dell’ossigeno liquido che alimenta il motore E-2 (crediti fotografici: Launcher)
Launcher si è quindi rivolto a Stratasys Direct Manufacturing che ha utilizzato la soluzione Sapphire® di Velo3D per creare la girante dell’induttore ben bilanciata. Questo componente critico accelera e spinge il LOX verso la camera di combustione, creando un maggiore flusso di fluidi e una maggiore spinta per il razzo. Più precisamente, la girante dell’E-2 è stata creata integrando due parti separate stampate in 3D, un induttore e una girante, in un unico componente congiunto ed efficiente. Il materiale scelto è l’INCONEL 718, un materiale resistente alla corrosione con una discreta compatibilità con il LOX e un’eccellente resistenza meccanica a temperature criogeniche.
Perché è stata scelta la produzione additiva in metallo?
Perché Launcher, potendo scegliere qualsiasi tecnologia, si è orientata verso la produzione additiva in metallo e più specificamente verso la soluzione di Velo3D? La produzione additiva in metallo, come ci si aspetterebbe, offre diversi vantaggi, soprattutto in termini di riduzione dei costi e di libertà di progettazione. Tuttavia, non tutte le soluzioni sono adatte. Soprattutto perché per ottenere le proprietà necessarie, la parte non poteva essere realizzata con supporti interni o inclinata, il che ha portato Stratasys Direct a scegliere di utilizzare il sistema Velo3D Sapphire® grazie alla sua capacità di stampare parti senza supporti.
In particolare, la possibilità di stampare in piano era fondamentale per il team, perché l’inclinazione della parte durante il processo di stampa avrebbe impedito di ottenere un componente rotante ben bilanciato. Ma questo non sarebbe possibile con altre soluzioni, perché in genere se gli utenti vogliono evitare i supporti interni (necessari per molte geometrie complesse di molte soluzioni di stampa 3D in metallo), devono inclinare il pezzo. Ma questo non è il caso del sistema Sapphire®.
Come abbiamo detto in precedenza, la soluzione di Velo3D è unica nel settore AM per la sua libertà di progettazione, che incarna il motto dell’azienda “Print the part you want and need – without compromise“. Questa libertà è il risultato di diversi fattori, tra cui il fatto che Velo3D offre una soluzione AM in metallo avanzata e completamente integrata, che comprende il software di preparazione alla stampa Flow™ e il software Assure™ per la convalida della qualità. Inoltre, è in grado di stampare angoli ridotti fino a zero gradi. Quest’ultimo aspetto era particolarmente importante per Launcher, in quanto permetteva di stampare il pezzo in piano.
Le due stampanti Sapphire di Launcher (crediti fotografici: Launcher)
Il fatto di dover inclinare il pezzo avrebbe compromesso la sua qualità a causa dell’accumulo di stress durante la costruzione, impedendo la creazione di un componente rotante ben bilanciato. Secondo Stratasys Direct, con il sistema Velo3D è stato possibile stampare le giranti con l’orientamento ideale, evitando al contempo la necessità di supporti interni che avrebbero potuto danneggiare il pezzo finale. Andre Ivankovic, ingegnere meccanico di Launcher, ha spiegato: “Stampando il pezzo in piano, abbiamo ottenuto una distribuzione simmetrica della massa del pezzo rispetto all’asse di rotazione centrale“.
Qual è stato il risultato finale?
La parte risultante doveva essere sottoposta a operazioni complete e personalizzate di post-processing e a fasi di convalida prima di poter essere finalizzata. A tal fine, Stratasys Direct ha lavorato parzialmente il componente per rimuovere tutta la polvere dai canali interni prima di sottoporlo a trattamenti termici certificati. Il passo successivo è stato quello di confermare che la girante soddisfacesse i requisiti di densità e integrità del materiale prima dei processi termici.
La combinazione dell’esperienza AM di Stratasys Direct e della rigorosa post-elaborazione secondaria con la capacità di Velo3D di stampare senza supporti ha garantito il successo della costruzione di una parte altamente complessa e funzionale. I test effettuati finora hanno dato esito positivo. Infatti, recentemente Launcher ha testato con successo la turbopompa del motore E-2 per la U.S. Space Force in una campagna presso il NASA Stennis Space Center. Il team di collaudo dell’E-2 è riuscito a raggiungere o superare tutti gli obiettivi di potenza, pressione in ingresso e in uscita, efficienza e vibrazioni nel corso di 11 test. Per saperne di più su come l’E-2 è stato realizzato con la soluzione Sapphire® di Velo3D: QUI.
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*Crediti foto di copertina: Launcher
