Ракетні двигуни, надруковані на 3D-принтері – технологія, яка стимулює космічні перегони в приватному секторі

Автор: Олівер Гітченс, аспірант кафедри електричної та електронної техніки Університету Суррея.

Нестійкий характер космічних ракетних двигунів означає, що багато ранніх прототипів в кінцевому підсумку опиняються на землі або прикрашають верхівки дерев, яким не пощастило рости по-сусідству з випробувальними полігонами. Насправді, випадкові вибухи настільки поширені, що вчені-ракетобудівники придумали евфемізм для позначення того, коли це відбувається – «швидке незаплановане розбирання» (англ. rapid unscheduled disassembly) або скорочено ШНР (RUD).

Кожен раз, коли вибухає ракетний двигун, потрібно знайти джерело несправності, щоб його можна було усунути. Потім проектується, виготовляється, відправляється на випробувальний полігон і запускається новий вдосконалений двигун, і цикл починається знову – до тих пір, поки розбирання не стане повільним і запланованим, тобто більше не буде випадкових вибухів. Удосконалення ракетних двигунів у такий спосіб є однією із основних причин затримок у розвитку космічної галузі, яка насправді швидко зростає.

Сьогодні технологія 3D-друку з використанням жароміцних металевих сплавів революціонізує розробку ракет методом проб і помилок. Цілі структури, які раніше потребували сотень окремих компонентів, тепер можна надрукувати за лічені дні. Це означає, що в найближчі роки ви можете очікувати, що багато ракет розірвуться на крихітні шматки, але деталі, з яких вони зроблені, ставатимуть все більше, а кількість їх зменшиться, бо космічна гонка в приватному секторі посилюється.

Ракетні двигуни генерують енергію, еквівалентну детонації тонни тротилу щосекунди, спрямовуючи цю енергію у вихлоп, температура якого значно перевищує 3000℃. Для розробки з нуля двигунів, які справляються з цим без «швидкого незапланованого розбирання», потрібно щонайменше три роки, і більшість часу припадає на циклічний процес перепроектування, перебудови, доопрацювання та випробування.

Це тому, що ракетні двигуни неймовірно складні. Двигуни F-1 Saturn V, які відправили Ніла Армстронга на Місяць у 1969 році, мали 5600 виготовлених деталей. Багато з них були отримані від різних постачальників і їх доводилося окремо зварювати або скріплювати болтами вручну, що забирало багато часу.

Цей тривалий і дорогий процес міг бути вдалим у 1960-х роках, коли уряд США щедро фінансував NASA, щоб підтримати космічну гонку, але для приватних компаній він займає занадто багато часу.

Додайте ракетне паливо

Ключем до швидкої розробки двигуна є зниження кількості деталей, що скорочує час, необхідний для складання двигуна, і зменшує збої, викликані затримками в ланцюгу поставок. Найпростіший спосіб зробити це – змінити виробничі процеси. Космічні компанії зараз переходять від субтрактивних виробничих процесів, які вилучають матеріал для формування деталі, до адитивних виробничих процесів, які створюють деталь, додаючи до неї матеріал поступово.

Це означає 3D-друк. Все частіше інженери віддають перевагу процесу, який називається селективним лазерним спіканням для 3D-друку деталей ракетного двигуна в адитивному процесі. Він працює наступним чином: спочатку наносять шар металевого порошку, а потім розплавляють форми в порошку за допомогою лазерів. Метал зв’язується лише там, де він розплавлений лазерами, а решта залишається порошком. Після того, як форма охолоне, додається ще один шар порошку, і деталь збільшується шар за шаром.

Для ракетних двигунів використовується порошок суперсплаву міді Інконель, оскільки він витримує дуже високі температури.

Селективне лазерне спікання дозволяє на місці надрукувати кілька компонентів як одну єдину деталь за лічені дні. Коли трапляється ШНР і виявлено несправність, інженери можуть виправити проблему за допомогою програмного забезпечення для 3D-моделювання, інтегруючи дуже складні деталі в нові ракетні двигуни для проведення тестового запуску вже через кілька днів.

Використання 3D-друку також допомагає виробникам зменшити вагу всієї ракети, оскільки для виготовлення їх складної конструкції потрібно менше гайок, болтів і зварних швів. 3D-друк особливо корисний при виготовленні складної регенеративно-охолоджуваної форсунки двигуна, яка направляє холодне паливо навколо гарячого двигуна, для одночасного охолодження стінок двигуна і попереднього нагрівання холодного палива перед згорянням.

Перепроектування двигунів Apollo F-1 за допомогою 3D-друку скоротило кількість деталей з 5600 до всього 40. Жодна компанія ще не зменшила це число до одного, але безсумнівно, що 3D-друк призвів до нової епохи швидкої, гнучкої розробки ракетних двигунів.

Життєздатний бізнес

Це важливо для приватних космічних підприємств. Виробництво ракети – справа не з дешевих. Інвестори можуть розлютитися, якщо купа металобрухту після ШНР почне збільшуватися. Компанії, які борються за запуск корисного вантажу в космос, стикаються з проблемами в галузі зв’язків з громадськістю кожного разу, коли вони змушені відкладати свої графіки запусків через несправні ракети.

Практично всі нові ракетні компанії та космічні стартапи використовують технологію 3D-друку металом. Це прискорює їх розвиток, допомагаючи їм пережити критичні роки, перш ніж їм вдасться що-небуть відправити в космос. Варто відзначити компанію Rocket Lab, яка використовує свій двигун, надрукований в 3D, для запуску ракет з Нової Зеландії, і компанію Relativity Space, яка друкує всю свою ракету в 3D. У Великій Британії є компанії Skyrora та Orbex. Остання має на меті запустити ракету з 3D-друкованим двигуном вже в 2022 році.

Залишається відкритим питання, чи можна в 3D-форматі надрукувати всю ракету цілком, включаючи її двигун. Але це, безсумнівно, напрямок руху для галузі, в якій власне комплексне виробництво з легких матеріалів визначатиме, які корисні вантажі будуть виходити на орбіту, а які безславно впадуть на землю.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «3D-printed rocket engines: the technology driving the private sector space race» вжурналі «The Conversation» 17вересня 2021 р.

Переклала Валерія Овсієнко.