Expertům z NASA se nedávno podařilo vyrobit a otestovat 3D tištěnou hliníkovou trysku raketového motoru, která je díky použitému materiálu i výrobní metodě lehčí než konvenční trysky. Nový postup by mohl umožnit kosmickým letům zvýšit množství vynášeného nákladu. Inženýři z Marshallova střediska v alabamském Huntsville navázali v rámci programu NASA Announcement of Collaborative Opportunity spolupráci s firmou Elementum 3D z coloradského města Erie, aby společně vytvořili svařovatelný typ hliníkové slitiny, která by byla dostatečně odolná pro použití v raketových motorech. Ve srovnání s ostatními kovy má hliník nižší hustotu a umožňuje tak výrobu vysokopevnostních a přitom lehkých dílů. Ovšem kvůli své nízké odolnosti vůči extrémním teplotám a tendenci praskat při svařování, se hliník většinou při aditivních výrobních metodách dílů pro raketové motory nepoužíval – až doposud.

Nyní přichází na scénu nejnovější projekt realizovaný v rámci programu RAMFIRE (Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution). Tento program financovaný agenturou NASA se zaměřuje na dosažení pokroku při vývoji lehkých 3D tištěných hliníkových trysek raketových motorů. Tyto trysky jsou už v návrhové fázi vybaveny malými vnitřními kanálky, které udržují trysku dostatečně chladnou, aby se nezačala tavit. Při použití tradičních výrobních metod může tryska vyžadovat až tisíc jednotlivých spojených dílů. Tryska z projektu RAMFIRE se však vyrábí jako jeden díl, takže vyžaduje mnohem méně spojů a také u ní výrazně klesá čas potřebný k výrobě.

Výroba demonstrační trysky motoru aerospike s integrovanými kanálky prováděná firmou RPM Innovation v Rapid City (Jižní Dakota). Metoda LP-DED (laser powder directed energy deposition) vytváří s pomocí laseru taveninu, do které fouká prášek, čímž dochází k ukládání materiálu vrstvu po vrstvě. Inženýři z NASA využijí tuto trysku jako zkušební koncept, který bude sloužit jako podklad pro budoucí návrhy dílů.
Zdroj: https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/nasa-ramfire-aerospike-demo.jpg

Odborníci z NASA a Elementum 3D nejprve vyvinuli inovativní hliníkovou slitinu označovanou jako A6061-RAM2, která se zdála vhodná pro výrobu trysky. Následně upravili prášek používaný při metodě LP-DED (laser powder directed energy deposition). Další komerční partner, firma RPM Innovations (RPMI) z města Rapid City v Jižní Dakotě, poté využila nově vyvinutý materiál a upravený prášek k výrobě trysek s využitím metody LP-DED. „Průmyslové partnerství s poskytovateli speciální výroby pomáhají rozšiřovat dodavatelskou základnu a zpřístupnit aditivní výrobu pro mise NASA a širší komerční a letecký průmysl,“ uvedl Paul Gradl, hlavní vědecký pracovník projektu RAMFIRE z Marshallova střediska.

V rámci aktuálního programu NASA Moon to Mars budou zapotřebí schopnosti posílat do hlubšího vesmíru větší množství nákladu. Inovativní slitina v tomto procesu může hrát důležitou roli tím, že umožní výrobu lehkých dílů raket, které budou schopné odolat vysoké strukturální zátěži. „Hmotnost je pro budoucí mise do hlubokého vesmíru kritická,“ říká John Vickers, hlavní technolog pokročilé výroby Direktoriátu kosmických technologických misí NASA a dodává: „Projekty jako je tento, pomáhají technologiím aditivní výroby dozrát a zároveň poskytují pokrok i na poli materiálů. Ve výsledku pomohou vyvinout nové pohonné systémy, kosmickou výrobu a infrastrukturu, které jsou nezbytné pro ambiciózní mise NASA k Měsíci, Marsu i dál.“

Demonstrační nádrž s vakuovým pláštěm, která byla vyvinuta Marshallovým střediskem v alabamském Huntsville ze stejného hliníkové slitiny 6061-RAM2, jaká se použila v rámci projektu RAMFIRE. Součástka, vyrobená pro uložení kryogenních kapalin, je navržena s řadou integrovaných chladicích kanálů, které mají tloušťku stěny přibližně 1,5 mm.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

V průběhu letošního roku prošly na Marshallově středisku dvě RAMFIRE trysky vícenásobnými statickými zážehy, přičemž jako pohonné látky byla testována nejen směs zkapalněného kyslíku a vodíku, ale i zkapalněného kyslíku a metanu. Díky tlakům ve spalovací komoře přes 5,5 MPa byla překonána předtestová očekávání. Obě trysky dohromady úspěšně zvládly 22 zážehů, které trvaly celkem 579 sekund, tedy přibližně 10 minut. Při zkouškách bylo prověřeno, že trysky mohou fungovat i v nejnáročnějších podmínkách hlubokého vesmíru. „Tato testovací série znamená pro tuto trysku významný milník,“ přiznává Paul Gradl a dodává: „Tím, že jsme trysku vystavili náročným sériím statických zážehů, jsme demonstrovali, že tryska dokáže přečkat tepelné, strukturální a tlakové zátěže očekávané u motoru, který by se velikostí mohl používat na lunárním landeru.“

Odborníci z Marshallova střediska provádí inspekci trysky po sérii zkušebních statických zážehů.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Kromě úspěšné výroby a testů trysky raketového motoru se v rámci projektu RAMFIRE podařilo využít vyvinutou hliníkovou slitinu a aditivní výrobní procesy také k výrobě dalších pokročilých velkorozměrových dílů pro demonstrační účely. Sem patří třeba tryska motoru aerospike o průměru 90 cm s komplexními integrovanými chladicími kanálky, nebo nádrž s vakuovým pláštěm pro kryogenní látky. NASA i její průmysloví partneři pracují na sdílení poznatků, dat i procesů s komerčními zájemci i akademickými institucemi. Rozličné letecko-kosmické firmy pracují na vývoji inovativních slitin a výrobních procesů typu LP-DED. Hledají přitom možnosti, jak by se tyto atributy daly využít k výrobě dílů pro družice, ale i další aplikace.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/ramfire-nozzle-hot-fire-testing-nasa-msfc.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/nasa-ramfire-aerospike-demo.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/mic-4457-copy.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/mic-4365-rev-c.jpg