3D-печать ракет: как аддитивное производство революционизирует создание космических аппаратов

3D-печать стремительно становится основной технологией для производства космических аппаратов, особенно ракет. И стартапы, и признанные гиганты авиакосмической отрасли используют аддитивное производство для создания ракетных компонентов, обеспечивающих высокую производительность, низкие затраты и ускоренный вывод на рынок.

В этом выпуске серии Application Spotlight мы рассматриваем конкретные преимущества 3D-печати как для отдельных ракетных деталей, так и для целых запусковых транспортных средств.

Другие приложения в серии:

• 3D-печать для теплообменников
• 3D-печать для подшипников
• 3D-печать для велосипедного производства
• 3D-печать для цифровой стоматологии и элайнеров
• 3D-печать для медицинских имплантов
• 3D-печать для производства обуви
• 3D-печать для электронных компонентов
• 3D-печать в железнодорожной отрасли
• 3D-печатные очки
• 3D-печать для серийного производства конечных деталей
• 3D-печать для кронштейнов
• 3D-печать для деталей турбин
• Как 3D-печать улучшает гидравлические компоненты
• Как 3D-печать поддерживает инновации в ядерной энергетике

Почему 3D-печать трансформирует производство ракетных компонентов

Глобальная гонка за более эффективный запуск спутников заставляет производителей космических аппаратов ускорять циклы разработки, снижать издержки и повышать эффективность. Традиционное производство ключевых деталей двигателя — таких как камеры сгорания — часто занимает 10–14 месяцев и включает множество этапов литья, ковки и механической обработки. Эти процессы трудоемки, дороги и ограничивают сложность дизайна.

В отличие от этого, 3D-печать может произвести полноценную камеру сгорания за несколько недель, драматически сокращая сроки и стоимость. Точность и универсальность аддитивного производства также позволяют инженерам проектировать сложные геометрии, невозможные при традиционной оснастке, такие как сложные внутренние охлаждающие каналы,держите температуру горения ниже 100 °F (38 °C).

Аддитивные технологии, движущие ракетным производством

Большинство авиакосмических компаний теперь полагаются на лазерную металлическую 3D-печать, в основном селективное лазерное плавление (SLM). SLM сплавляет слои металлического порошка тонко настроенным лазером, достигая толщины слоя до 20 мкм и работая с высокопрочными сплавами от титана до никеля. Эта техника идеальна для мелких сложных деталей — форсунок, соплов, насосов, клапанов.

Для крупных компонентов предпочтительна Direct Energy Deposition (DED). DED-принтеры расплавляют металл — порошок или проволоку — непосредственно при наплавке, создавая плотные детали близкие к чистовику, достигая 2,7 м в диаметре и 4,5 м в высоте.

Ключевые преимущества 3D-печати для ракет

Быстрая итерация

Одно из главных преимуществ аддитивного производства — скорость итераций дизайна. «С аддитивом можно сделать пять итераций до одной традиционной сборки и все равно сэкономить», — говорит Скотт Киллиан, менеджер по бизнес-развитию в авиации EOS North America. Устраняя оснастку, инженеры могут править CAD-файлы и генерировать новые детали за часы вместо недель.

Гибкость дизайна

Традиционная обработка не может разместить сложные решетчатые охлаждающие каналы, которые требуют современные камеры сгорания. 3D-печать может сплести эти каналы в интерьере камеры за одну печать, сокращая этапы сборки и улучшая тепловую производительность.

Снижение производственных затрат

Двигатели могут составлять до 40% стоимости запускательного аппарата. Аддитивное производство сокращает количество производственных этапов, устраняет дорогую оснастку и снижает трудозатраты. Например, Orbex использовала SLM для 3D-печати двигателя для своего запускателя Prime, сократив время оборота на 90% и затраты на 50% по сравнению с CNC-обработкой.

SpaceX внедрила SLM для своих тяговых двигателей Draco и Super-Draco, производя камеры сгорания из Inconel, которые легче, прочнее и дешевле в производстве. Маск отмечает, что 3D-печать дает «надежные и высокопроизводительные детали двигателя за долю стоимости и времени традиционных методов».

Упрощение сборки

Сложные детали, когда-то требовавшие десятки этапов обработки и сварки, теперь могут быть напечатаны как монолитные компоненты. Немецкий аэрокосмический центр (DLR) напечатал головку форсунки на 10% легче за одну печать, устранив 30 точек крепления и снизив риск отказов. EOS перепроектировал головку форсунки Ariane 6 с 248 деталей до одной, уменьшив стоимость вдвое и сократив сроки втрое.

Кейсы

3D-печатный двигатель Rutherford от Rocket Lab

Запускатель Electron компании Rocket Lab опирается на девять жидкостных ракетных двигателей Rutherford, все изготовленные с помощью электронно-лучевого плавления (EBM). С 2013 года компания печатает все основные компоненты двигателя — камеры сгорания, форсунки, насосы и клапаны — достигнув вехи в 100 3D-печатных двигателей и доказав надежность запуском четырех спутников на орбиту.

3D-печатные целые ракеты: Relativity Space

Relativity Space толкает границы с ракетой Terran, которая будет иметь 95% 3D-печатных деталей. Их проприетарный принтер Stargate — один из крупнейших DED-машин в мире — может печатать компоненты до 2,7 м в диаметре и 4,5 м высотой, охватывая все основные топливные баки и крупные структурные элементы.

Печатая практически всю ракету, Relativity ожидает снизить массу, сократить затраты на запуск и увеличить полезную нагрузку. Компания также планирует сократить цикл сборки от сырья до летного аппарата до двух месяцев благодаря быстрому рабочему процессу дизайн-в-печать.

Будущее аддитивного производства в авиакосмике

3D-печать переформировала то, как ракетные двигатели конструируются, строятся и итерируются. Хотя технология уже доказала свою стоимостную эффективность для деталей двигателя, ее потенциал для полностью 3D-печатных запусковых аппаратов в значительной степени еще не реализован. По мере сокращения требований к оснастке и развития материаловедения аддитивное производство, вероятно, станет краеугольным камнем следующего поколения космических аппаратов, обеспечивая более быструю инновацию и более эффективный доступ к космосу.

Оставайтесь с нами для следующей статьи, где мы рассмотрим влияние 3D-печати на обувную индустрию.