Additivt fremstillet raketmotor har en aerospike -dyse til mikrolancere

Microlaunchers er et alternativ til konventionelle lanceringskøretøjer. Kan bære nyttelast på op til 350 kg disse mellemstore transportsystemer er designet til at opsende små satellitter i rummet. Forskere ved Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS i Dresden og TU Dresdens luftfartseksperter udviklede en additivt fremstillet raketmotor med en aerospike -dyse til mikrolancere. Den skalerede metalprototype forventes at forbruge 30 procent mindre brændstof end konventionelle motorer. Det vil fremtræde fremtrædende på Hannover Messe Preview den 12. februar og i udstillingsvinduet ved stand C18 i hal 16 på Hannover Messe fra 20. til 24. april, 2020.

Markedet for små satellitter vil helt sikkert blomstre i de kommende år. Det Forenede Kongerige sigter mod at bygge en rumhavn i det nordlige Skotland, den første på europæisk jord. Forbundet for tyske industrier (BDI) har også godkendt tanken om en national rumhavn. Det skal tjene som puden til små til mellemstore affyringsramper, der transporterer forskningsinstrumenter og små satellitter ud i rummet. Disse mikrolanceringer er konstrueret til at bære en nyttelast på op til 350 kilo. Aerospike -motorer er et effektivt middel til at drive disse mikrolanceringer. De byder velkommen til langt mindre masse og langt lavere brændstofforbrug. Et forskerhold fra Fraunhofer IWS og TU Dresdens Institute of Aerospace Engineering udviklede, produceret og testet en aerospike -motor i løbet af de sidste to år. Det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF) finansierede projektet. Det, der adskiller denne aerospike -motor fra andre, er, at dens brændstofindsprøjtning, forbrændingskammer og dyse trykkes lag for lag i en additiv fremstillingsproces kaldet laserpulver bed fusion (L-PBF). Dysen består af en spidslignende midterkrop designet til at accelerere forbrændingsgasser.

"Teknologien bag aerospike -motorer går tilbage til 1960'erne. Men vores evne til at producere så effektive motorer som dette skyldes den frihed, som additiv fremstilling medfører og dens indlejring i konventionelle proceskæder, "siger Michael Müller, videnskabelig assistent ved Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), som drives i fællesskab af Fraunhofer IWS og TU Dresden. Aerospike -raketmotorer lover brændstofbesparelser på omkring 30 procent i forhold til konventionelle raketter. De er også mere kompakte end konventionelle systemer, hvilket reducerer det samlede systems masse. "Hvert gram sparet er guld værd i rumfart, fordi der skal tages mindre brændstof i kredsløb. Jo tungere det overordnede system, jo lettere skal dens nyttelast være "siger Mirco Riede, gruppechef 3D-produktion hos Fraunhofer IWS og kollega med Michael Müller. Aerospike -dysen udviklet af Fraunhofer IWS og TU Dresden tilpasser sig bedre det ændrede tryk på turen fra Jorden til kredsløb. Dette gør det mere effektivt, så det forbrænder mindre brændstof end konventionelle motorer.

En additivt fremstillet dyse med konform køling

"Vi valgte en additiv måde at fremstille metalraketten på, fordi motoren kræver meget god køling og har brug for interne kølekanaler. Dette komplekse regenerative kølesystem med labyrintiske indre kanaler kan ikke fræses eller støbes på konventionelle måder, "siger Riede. Anvendt lag for lag, pulveret smeltes derefter. Denne selektive lasersmeltning bygger gradvist en komponent med en millimeter brede kølekanaler, der følger forbrændingskammerets konturer. Resterende pulver i kanalerne støvsuges derefter. Dette metal skal leve op til strenge krav, forbliver fast ved høje temperaturer og leder varme godt for at sikre optimal afkøling. "Temperaturer på flere tusinde grader Celsius hersker i forbrændingskammeret, så dette kræver aktiv afkøling, «siger Müller.

Forskere ved Fraunhofer IWS og TU Dresden ser på indsprøjtningssystemet i et forsøg på at øge motoreffektiviteten yderligere. Kaldes CFDμSAT, dette projekt har været i gang siden januar 2020, hvor Ariane Group og Siemens AG deltog som associerede partnere. Injektorer udgør store design- og fremstillingsudfordringer. "Brændstoffer tjener først til at afkøle motoren. De varmes op og induceres derefter i forbrændingskammeret. Flydende ilt og ethanol tilsættes separat for at blive blandet via en injektor. Den resulterende gasblanding antændes. Den ekspanderer i forbrændingskammeret og derefter flyder gennem et hul i forbrændingskammeret for at blive dekomprimeret og accelereret af dysen, "bemærker Müller, forklarer, hvordan denne motor producerer tryk.

Motor varm-brand test

De Dresden-baserede forskere har allerede testet prototypen på aerospike-motoren i en testcelle ved TU Dresden's Institute of Aerospace Engineering, opnå en brændetid på 30 sekunder. "Denne proces er speciel, fordi der har været knappe præcedenser for aerospike -dysetest. Vi har bevist, at en fungerende flydende drivmotor kan fremstilles ved hjælp af additiv fremstilling, «siger Müller.

Dette projekt er et eksempel på det tætte samarbejde mellem TU Dresden og forskningsinstitutter uden for universitetet inden for en videnskabsklynge kaldet DRESDEN-konceptet. TU Dresden er ansvarlig for motorens design og layout; Fraunhofer IWS til fremstilling og materialevalidering. Deres første skridt var at tilpasse designet til den additive produktionsproces. Forskerne valgte derefter og karakteriserede materialet. Næste, de producerede motorens to komponenter med L-PBF-metoden og omarbejdede deres funktionelle overflader. Komponenterne blev forbundet med lasersvejsning og en computertomografisk scanner inspiceret for porer og andre defekter. Denne ikke-destruktive vurdering kan også afgøre, om sintret pulver blokerer kølekanalerne. Dette projekt demonstrerer, hvordan AM -processer kan integreres i nutidens proceskæder på en produktiv måde på tværs af alle industrier for at fremme den nyeste teknik inden for fremstilling.