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Jun 19, 2023

Múltiplo

Compartilhe este artigo Em um ambiente hostil e implacável, são necessárias muitas decisões de projeto, fabricação complicada e integração de componentes para testes de fogo quente de motores de foguetes líquidos.

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Em um ambiente hostil e implacável, são necessárias muitas decisões de projeto, fabricação complicada e integração de componentes para testes de fogo quente de motores de foguetes líquidos. Sabendo que as coisas podem dar errado em milissegundos, o ronco do motor e a emoção do teste às vezes podem fazer com que você se esqueça de respirar. Embora complexo e desafiador, o processo de projeto de motores de foguete geralmente não é onde surgem problemas significativos.

A fabricação e montagem de componentes em um sistema complexo envolve tempo, custos e habilidades significativas para atender aos requisitos de integração e desempenho. No entanto, a promessa da Fabricação Aditiva (AM) para aplicações de propulsão está sendo demonstrada em toda a indústria aeroespacial para peças críticas e permitindo projetos de foguetes que antes não eram possíveis. Técnicas de ponta como AM são usadas para reduzir a contagem de peças, otimizar o peso e permitir geometrias de peças mais complexas. AM reduz significativamente os custos de fabricação de componentes e os prazos de entrega. AM também permite um ciclo muito mais rápido de correção de falhas de projeto para desenvolver e testar os primeiros protótipos antes de passar para a produção.

A NASA tem um papel vital para ajudar a resolver alguns dos desafios de fabricação e, ao mesmo tempo, melhorar o desempenho do motor do foguete. Um exemplo de desenvolvimento de alto risco e alta recompensa é o projeto Game Changing Development Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology (RAMPT) da NASA.

A RAMPT envolveu a indústria, o espaço comercial e o meio acadêmico para desenvolver e integrar vários processos AM e de fabricação avançados e comprová-los por meio de testes de fogo a quente. A câmara de combustão e o bocal do motor de foguete líquido são frequentemente fabricados a partir de uma única liga usando um dos muitos processos de fabricação aditiva de metal. RAMPT explorou novas pesquisas para criar novas ligas, componentes AM multiligas e combinar vários processos AM de metal para maior otimização de projetos AM. Essa filosofia levou a equipe a fundir novos designs de AM com outras técnicas avançadas de fabricação de revestimento composto para reduzir ainda mais o peso (Figura 1).

Figura 1. Conceito RAMPT usando AM multiliga, LP-DED de grande escala e invólucro composto integrado em um conjunto de câmara de empuxo de motor de foguete (NASA).

A escala foi um dos desafios que a equipe RAMPT amadureceu. A NASA, juntamente com parceiros da indústria, avançou o processo AM de deposição de energia dirigida por pó de laser (LP-DED) para demonstrar a geometria complexa do canal interno de parede fina em escalas superiores a 1 metro de diâmetro. O alvo era o bocal resfriado por canal. O processo LP-DED de forma livre permite a fabricação aditiva em larga escala – sem restrições da caixa de construção. Em apenas 90 dias, o projeto RAMPT imprimiu um dos maiores bicos AM produzidos pela NASA utilizando LP-DED, que incluía mais de 1.000 canais internos e media 1,5 m (59 pol.) de diâmetro e 1,8 m (72 pol.) de altura (Figura 2) . Um revestimento de bocal de motor de foguete RS-25 em escala real também foi desenvolvido no projeto RAMPT com 2,4 m (95 pol.) de diâmetro e 2,8 m (111 pol.) de altura, mas não incluía canais internos (Figura 2).

Figura 2. Bicos de deposição de energia direcionada em grande escala. (Esquerda) Bico de canal integral com 1,5 m de diâmetro e 1,8 m de altura usando liga NASA HR-1 [NASA/RPMI]. (Direita) Revestimento de 2,4 m de diâmetro e 2,8 m de altura usando LP-DED de cabeça dupla com liga JBK-75 (NASA/DM3D).

Figura 3. Várias escalas de câmaras de empuxo AM multiligas e multiprocessos com invólucro composto desenvolvidas no âmbito do projeto RAMPT (NASA).

A NASA acumulou mais de 100.000 segundos de testes de fogo quente em várias peças e sistemas AM. Esta experiência ajudou a NASA a compreender muitos dos desafios e limitações da AM e a estabelecer padrões para a certificação de componentes AM. Para avançar ainda mais a tecnologia no projeto RAMPT, câmaras de empuxo integradas de 2.000 lbf (8,9 kN) e 7.000 lbf (31 kN) foram testadas a fogo quente na bancada de testes 115 do Marshall Space Flight Center (MSFC) da NASA (Figura 4). O teste da câmara de empuxo desacoplada (aparafusada) também foi conduzido a 35.000 lbf (156 kN) para obter dados na câmara L-PBF GRCop-42 e no bocal de canal integral NASA HR-1 LP-DED (Figura 5). Esses testes comprovaram os desafios das multiligas AM, dos processos AM combinados e do invólucro composto e forneceram várias lições aprendidas para a infusão na indústria. Os testes futuros incluirão 40.000 lbf (178 kN) totalmente acoplados em pressões de câmara superiores a 1.400 psi (97 bar).