3D-geprinte raketten klaar om te ontploffen

Als de Terran1-lancering van deze zomer vanaf Cape Canaveral een succes is, Relativiteit Ruimte zal het eerste lucht- en ruimtevaartproductiebedrijf zijn dat een volledig 3D-geprinte raket de ruimte in stuurt. Kort daarna belde een start-up uit Californië Launcher zal zijn Orbiter-satellietplatform inzetten, aangedreven door 3D-geprinte raketmotoren, nadat het een boost in de ruimte heeft gekregen van een SpaceX.

Het is moeilijk om de impact van 3D-printen – ook wel additive manufacturing genoemd – te overschatten op de ruimtevaartindustrie. Geen enkele andere technologie heeft het voor zoveel bedrijven mogelijk gemaakt om deze sector te betreden en in zo korte tijd voertuigen, motoren en raketten te leveren tegen zulke lage kosten. En nu staat het aantal startende raketfabrikanten op het punt te groeien naarmate meer commercieel verkrijgbare 3D-printers de taak zullen aankunnen om ruimtewaardige componenten te produceren.

Bijvoorbeeld een in Groot-Brittannië gevestigd lucht- en ruimtevaartbedrijf Orbex hoopt dat zijn 3D-geprinte raketten, gemaakt met de nieuwste metalen 3D-printer van de Duitse fabrikant EOS, tegen het einde van het jaar vanuit Schotland zullen vertrekken. En in de VS, een jonge fabrikant van raketmotoren de Grote Beer neemt nu bestellingen aan voor zijn nieuwe Arroway-voortstuwingsmotor, ontworpen om de nu niet beschikbare voortstuwingsbronnen van Russische makelij te vervangen. Het wordt ook 3D-geprint met behulp van beschikbare metalen 3D-printers.

“Ik denk niet dat ons bedrijf zou bestaan ​​zonder 3D-printen”, zegt Jake Bowles, directeur geavanceerde productie en materialen bij Ursa Major, die vijf jaar bij SpaceX heeft gewerkt. “Onze evolutie was sterk verbonden met het bestaan ​​en de volwassenheid van 3D-printen.”

Ursa Major wilde een motor veel sneller op de markt brengen dan voorheen, in maanden en niet jaren, wat alleen mogelijk was door prototyping en productie met 3D-printers, zegt Bowles.

Terwijl Relativity Space en anderen eigen 3D-printtechnologie voor hun raketten hebben ontwikkeld, zegt Bowles dat het gebruik van nieuwe commerciële 3D-printers Ursa Major in staat heeft gesteld de kosten onder controle te houden en ontwerpen snel te herhalen, zonder door de vroege technologische ontwikkeling te hoeven struikelen die nodig is voor 3D-printers van eigen bodem. .

“Ons team evalueert voortdurend nieuwe 3D-printerbedrijven die met innovaties op de markt komen, omdat er veel concurrentie is om een ​​deel van de ruimtevaart- en ruimtevaartlanceringsmarkt”, zegt Bowles. Volgens Strategic Market Research zal de mondiale marktomvang voor 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart in 9.27 naar verwachting 2030 miljard dollar bedragen.

Bedrijven racen om de krachtigste, meest flexibele en goedkoopste opties aan te bieden aan bedrijven zoals AmazonAMZN
, die satellieten in een baan om de aarde willen brengen om mondiale breedband te leveren, hogeresolutiebeelden van activiteit op aarde vast te leggen en zelfs privéruimtestationhotels op te zetten voor de ultrarijken.

3D-printen stimuleert de race om de ruimte te commercialiseren

Nu de additieve productietechnologie de lanceringskosten met maar liefst 95% verlaagt in vergelijking met het Space Shuttle-programma van de NASA, staat de deur open voor meer diensten vanuit de ruimte, wat leidt tot hevige concurrentie tussen raketfabrikanten. De bedrijfsslogan van Launcher leest als een Walmart-advertentie: "Overal in de ruimte tegen de laagste kosten."

Door miljoenen te besparen op de kosten van het inzetten van satellieten, werd onlangs Launcher-financiering opgehaald van de US Space Force om de E-2 3D-geprinte, krachtige vloeibare raketmotor verder te ontwikkelen voor het Launcher Light-draagraket, dat naar verwachting in 2024 zal vliegen. zei: “De E-2 vloeibare raketmotor van Launcher heeft het potentieel om de prijs voor het in een baan brengen van kleine satellieten op speciale kleine lanceervoertuigen aanzienlijk te verlagen, wat een sleutelcapaciteit en prioriteit is voor de Space Force.”

Om de kosten te verlagen en de productie te versnellen, maakt Launcher ook gebruik van 3D-printers van EOS en het in Californië gevestigde Velo3D.

“Turbopomponderdelen voor raketmotoren vereisen doorgaans gieten, smeden en lassen”, zegt Max Haot, oprichter en CEO van Launcher. “De tools die voor deze processen nodig zijn, verhogen de ontwikkelingskosten en verminderen de flexibiliteit tussen ontwerpiteraties. De mogelijkheid om onze turbopomp, inclusief roterende, met Inconel omhulde waaiers, in 3D te printen dankzij de nulgradentechnologie van Velo3D, maakt het nu mogelijk tegen lagere kosten en meer innovatie door iteratie tussen elk prototype.”

Bij traditionele productiemethoden voor de lucht- en ruimtevaart is het gebruikelijk om te horen van doorlooptijden van negen tot twaalf maanden en enorme kosten voor het bouwen en testen van gereedschappen, zoiets als een zuurstofrijke getrapte verbrandingsmotor met pompvoeding, zegt Eduardo Rondon, een senior voortstuwingsmotor. analist bij Ursa Major, een andere SpaceX-veteraan. “Additive manufacturing stelt ons in staat een nieuw ontwerp op de proefstand te zetten, te besluiten een wijziging aan te brengen, aan een alternatieve architectuur te werken, het af te drukken en het binnen enkele weken op de stand te krijgen.”

Orbex 3D print zijn raketten op hetzelfde printertype als Launcher, de AMCM M4K-4 metaalprintplatform van EOS, dat in 2021 uitkwam. Het bedrijf heeft ook metaal 3D-printers van het Duitse bedrijf SLM Solutions gebruikt.

3D-printen niet alleen voor start-ups

3D-printen heeft een lange geschiedenis in de ruimte sinds SpaceX in 3 zijn 2013D-geprinte SuperDraco-raketmotor onthulde.

Ruimtevaartgigant Aerojet RocketdyneAJRD
heeft zijn Bantam-raketmotorenfamilie in 2017 opnieuw ontworpen en profiteert optimaal van de mogelijkheden voor additieve productie die de totale ontwerp- en productietijd van meer dan een jaar naar een paar maanden terugbrengen, terwijl de kosten met ongeveer 65% worden verlaagd in vergelijking met conventionele productiemethoden.

“Deze motoren, die normaal gesproken uit meer dan 100 onderdelen bestaan, zijn opgebouwd uit slechts drie door additieven vervaardigde hoofdcomponenten: het injectorsamenstel, de verbrandingskamer en een monolithisch keel- en mondstukgedeelte”, zegt het bedrijf.

Rocket Lab, een andere pionier op het gebied van commerciële satellietlanceringen, lanceerde in 3 voor het eerst zijn lichtgewicht 2017D-geprinte raketmotor, de Rutherford. De verbrandingskamer, injectoren, pompen en belangrijkste drijfgaskleppen zijn allemaal 3D-geprint en hebben al 27 lanceringen aangedreven. inclusief die van deze week.

Op dinsdag, Rocket Lab's De Rutherford-motor dreef de Electron-raket van het bedrijf vanuit Nieuw-Zeeland aan met een NASA-lading op weg naar de maan.

Ondanks het feit dat NASA en doorgewinterde lanceringsveteranen jarenlang additieve productie hebben getest, gevalideerd en in hun programma's hebben opgenomen, zijn de huidige commerciële 3D-printtechnologie en geavanceerde metaallegeringsmaterialen zo snel volwassen geworden dat bedrijven als Launcher, Ursa Major en Orbex er hun voordeel mee kunnen doen. van prototype tot lancering in minder tijd en voor minder geld.

“We zijn vanaf de eerste dag begonnen met het ontwerpen rond 3D-printen en hebben gebruik gemaakt van de mogelijkheden die dit biedt”, zegt Bowels. “Hierdoor hebben we interne kennis kunnen opbouwen over hoe we ontwerpen voor 3D-printen kunnen optimaliseren, die we vervolgens kunnen toepassen op nieuwe motoren die we moeten ontwikkelen en verkopen om aan de marktvraag te voldoen. En doordat we nu al weten hoe we dat moeten doen, kunnen we sneller de markt betreden.”