Ракета на 3D-принтере — в чем секрет Relativity Space?

В марте этого года прошел успешный запуск ракеты с напечатанными на 3D-принтере двигателями. Разбираемся: как такое стало возможно, и причем тут разработки 80-х годов.

В марте ракета Relativity Space Terran 1 осветила ночное небо, когда она стартовала со станции космических сил на мысе Канаверал во Флориде. Это был первый запуск испытательной ракеты, полностью изготовленной из деталей, напечатанных на 3D-принтере , высотой 30,5 метров и шириной 2,3 метра. Форма аддитивного производства, 3D-печать, является ключевой технологией для расширения возможностей и снижения затрат на любые запуски.

Может показаться, что этот провыв, целиком и полностью заслуга современных технологий и недавних достижений. Но это далеко не так. Первые шаги, которые привели к успешному запуску столь необычной ракеты, были сделаны более 30 лет назад. Пойдем по порядку.

Первый успешный образец, Terran 1, включал в себя девять аддитивных двигателей, изготовленных из инновационного медного сплава, которые выдерживали температуры, свыше 3000°C. Это семейство сплавов на основе меди, известное как Glenn Research Copper или GRCop, созданное в Исследовательском центре Гленна NASA в Кливленде в рамках программы Агентства по разработке новых технологий, предназначено для использования в камерах сгорания высокопроизводительных ракетных двигателей. Комбинация меди, хрома и ниобия, GRCop оптимизирована для обеспечения высокой прочности, высокой теплопроводности, высокого сопротивления ползучести, что допускает большее напряжение и деформацию в высокотемпературных приложениях, и хорошей малоцикловой усталости, что предотвращает разрушение материала. Они выдерживают температуры на 40 % выше, чем традиционные медные сплавы, что приводит к повышению производительности компонентов и возможности повторного использования.

Ракета на 3D-принтере — в чем секрет Relativity Space?

Источник: Relativity Space.

Фотография выхлопа ракеты Terran 1 во время запуска в марте 2023 года.

Как появился такой чудесный сплав? В конце 1980-х годов NASA хотело разработать двигатель для управления космическими кораблями на низкой околоземной орбите, который мог бы выдерживать многократные запуски. Ракетные двигатели сталкиваются со сложными проблемами в конструкции и средах, в которых они работают, включая многократные запуски и остановки, которые создают цикл износа критических компонентов.

Доктор Дэвид Эллис разработал семейство сплавов GRCop в качестве аспиранта при поддержке NASA в эпоху космических челноков. Он продолжал совершенствовать сплавы и их применение на протяжении всей своей карьеры. По его словам, в то время вкладыши камеры сгорания главного двигателя космического челнока обычно заменялись после одной-пяти миссий. Проводимые исследования показали, что GRCop-84 легко достигает цели в 100 миссий между техническим обслуживанием и 500 миссиями ресурса двигателя.

В течение многих лет разработки сплавов Эллис и его команда работали над несколькими проектами и программами, такими как технология быстрого анализа и производства двигателей NASA (RAMPT), для усовершенствования различных версий сплавов GRCop. В самой последней итерации, получившей название GRCop-42, используются различные методы аддитивного производства для создания цельных и многокомпонентных камер сгорания и сборок упорных камер для ракетных двигателей. Эти процессы улучшили характеристики, а также значительно снизили вес и стоимость компонентов упорной камеры.

Ракета на 3D-принтере — в чем секрет Relativity Space?

Источник: NASA.

Камера сгорания, изготовленная присадкой. Фото процесса производства.

NASA обнаружило, что сплавы GRCop очень хорошо сочетаются с новейшими методами аддитивного производства. Современные методы производства, такие как лазерный сплав в порошковом слое и направленное осаждение энергии, представляют собой два подхода, которые можно использовать для создания деталей GRCop для многих аэрокосмических приложений, таких как ракетные двигатели Terran 1.

При лазерной сварке в порошковом слое трехмерная компьютерная модель нарезается на тонкие слои в цифровом виде. Затем машина с порошковым слоем, которая действует как принтер, начинает процесс распределения и сплавления тонких слоев порошка друг на друга, тысячи раз, чтобы сформировать готовую деталь. Этот процесс соединения слоев вместе приводит к прочности материалов, сравнимой с кованым металлом. Преимущество этого метода заключается в том, что можно создавать детали с высокой степенью детализации, такие как форсунки и каналы охлаждения, используемые для камер сгорания и форсунок.

В процессе направленного энергетического осаждения (DED) используется лазер для создания ванны расплава. Затем порошок выдувается в ванну расплава и охлаждается, образуя твердый материал. 3D-движение робота направляет процесс сборки для создания всей детали с помощью лазера и выдувного порошка. Процесс DED позволяет производить более крупные формы и компоненты по сравнению с лазерным сплавлением в порошковом слое, но с меньшим количеством мелких деталей.

В соответствии с возмещаемым Соглашением о космическом акте NASA предоставило Relativity Space техническую экспертизу, которая перевела GRCop-42 из стадии разработки в готовый к полету продукт, используемый для запуска ракеты Terran 1. Relativity Space показала, что эти компоненты ракетного двигателя с более высокими характеристиками, изготовленные методом аддитивного производства из сплавов GRCop, могут быть использованы в будущих миссиях на Луну, Марс и за их пределы.

Читайте также

Ученые объяснили, почему черные дыры «откусывают» звезды снова и снова

Ученые объяснили, почему черные дыры «откусывают» звезды снова и снова

Телескоп Nancy Grace Roman отправился к точке L2 — научная работа начнется в 2027 году

Телескоп Nancy Grace Roman отправился к точке L2 — научная работа начнется в 2027 году

Британский визионер хочет запустить максимально дешевую миссию к Альфа Центавра

Британский визионер хочет запустить максимально дешевую миссию к Альфа Центавра

Под южным полушарием Марса обнаружили гигантскую тепловую аномалию

Под южным полушарием Марса обнаружили гигантскую тепловую аномалию

Китай испытал лазерную связь между Землей и Луной со скоростью до 100 Мбит/с

Китай испытал лазерную связь между Землей и Луной со скоростью до 100 Мбит/с

Как ученые на «Конкорде» устроили погоню за солнечным затмением и растянули семь минут до 74

Как ученые на «Конкорде» устроили погоню за солнечным затмением и растянули семь минут до 74

Японская установка тестирует магнитное торможение при входе космических аппаратов в атмосферу

Японская установка тестирует магнитное торможение при входе космических аппаратов в атмосферу

Физики ЦЕРН провели Малый Большой взрыв с помощью кислорода

Физики ЦЕРН провели Малый Большой взрыв с помощью кислорода

Миссии NASA, которые изменили историю освоения космоса

Миссии NASA, которые изменили историю освоения космоса

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Ford отзывает почти 149 тысяч Mustang из-за риска потери мощности

Ford отзывает почти 149 тысяч Mustang из-за риска потери мощности

Porsche может вернуть культовый «плоский нос» в серийные модели 911

Porsche может вернуть культовый «плоский нос» в серийные модели 911

Овца, утка и петух стали первыми пассажирами воздушного шара 243 года назад

Овца, утка и петух стали первыми пассажирами воздушного шара 243 года назад

Dyson выпустил умную зубную щетку со встроенной камерой

Dyson выпустил умную зубную щетку со встроенной камерой