I microlanciatori sono un'alternativa ai veicoli di lancio convenzionali. In grado di trasportare carichi fino a 350 chilogrammi, questi sistemi di trasporto di medie dimensioni sono progettati per lanciare piccoli satelliti nello spazio. I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e dei raggi IWS di Dresda e gli esperti aerospaziali della TU di Dresda hanno sviluppato un motore a razzo prodotto in modo additivo con un ugello aerospike per microlanciatori. Si prevede che il prototipo in metallo in scala consumerà il 30% in meno di carburante rispetto ai motori convenzionali. Sarà in primo piano all'anteprima di Hannover Messe il 12 febbraio e nella vetrina allo stand C18 nel padiglione 16 della Hannover Messe dal 20 al 24 aprile, 2020.

Il mercato dei piccoli satelliti è destinato a crescere negli anni a venire. Il Regno Unito mira a costruire uno spazioporto nel nord della Scozia, la prima sul suolo europeo. Anche la Federazione delle industrie tedesche (BDI) ha approvato l'idea di uno spazioporto nazionale. Serve come piattaforma per lanciatori di piccole e medie dimensioni che trasportano strumenti di ricerca e piccoli satelliti nello spazio. Questi microlanciatori sono progettati per trasportare un carico utile fino a 350 chilogrammi. I motori Aerospike sono un mezzo efficiente per alimentare questi microlanciatori. Offrono le benvenute prospettive di una massa molto inferiore e di un consumo di carburante molto inferiore. Un team di ricerca del Fraunhofer IWS e dell'Istituto di ingegneria aerospaziale di TU Dresden ha sviluppato, prodotto e testato un motore aerospike negli ultimi due anni. Il ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF) ha finanziato il progetto. Ciò che distingue questo motore aerospike dagli altri è che il suo iniettore di carburante, la camera di combustione e l'ugello sono stampati strato per strato in un processo di produzione additiva chiamato fusione a letto di polvere laser (L-PBF). L'ugello è costituito da un corpo centrale a forma di punta progettato per accelerare i gas di combustione.

"La tecnologia alla base dei motori aerospike risale agli anni '60. Ma la nostra capacità di produrre motori così efficienti è dovuta alla libertà offerta dalla produzione additiva e dal suo inserimento nelle catene di processo convenzionali, "dice Michael Müller, assistente scientifico presso l'Additive Manufacturing Center di Dresda (AMCD), che è gestito congiuntamente da Fraunhofer IWS e TU Dresden. I motori a razzo Aerospike promettono un risparmio di carburante di circa il 30% rispetto ai razzi convenzionali. Sono inoltre più compatti dei sistemi convenzionali, che riduce la massa complessiva del sistema. "Ogni grammo risparmiato vale il suo peso in oro nel volo spaziale, perché meno carburante deve essere portato in orbita. Più pesante è il sistema complessivo, più leggero deve essere il suo carico utile, "dice Mirco Riede, responsabile del gruppo Produzione 3D presso Fraunhofer IWS e collega di Michael Müller. L'ugello aerospike sviluppato da Fraunhofer IWS e TU Dresden si adatta meglio alla pressione variabile durante il viaggio dalla Terra all'orbita. Questo lo rende più efficiente, quindi brucia meno carburante rispetto ai motori convenzionali.

Un ugello prodotto in modo additivo con raffreddamento conforme

"Abbiamo optato per un modo additivo di produrre il razzo metallico perché il motore richiede un ottimo raffreddamento e necessita di canali di raffreddamento interni. Questo complesso sistema di raffreddamento rigenerativo con condotti interni labirintici non può essere fresato o fuso in modi convenzionali, " dice Riede. Applicato strato per strato, la polvere viene poi sciolta. Questa fusione laser selettiva costruisce gradualmente un componente con canali di raffreddamento larghi un millimetro che seguono i contorni della camera di combustione. La polvere residua nei canali viene quindi aspirata. Questo metallo deve resistere a richieste rigorose, rimanendo solido alle alte temperature e conducendo bene il calore per garantire un raffreddamento ottimale. "Nella camera di combustione prevalgono temperature di diverse migliaia di gradi Celsius, quindi questo richiede un raffreddamento attivo, "dice Muller.

Gli scienziati del Fraunhofer IWS e della TU Dresden stanno esaminando il sistema di iniezione nel tentativo di aumentare ulteriormente l'efficienza del motore. Chiamato CFDμSAT, questo progetto è in corso da gennaio 2020 con il Gruppo Ariane e Siemens AG che partecipano come partner associati. Gli iniettori pongono grandi sfide di progettazione e produzione. "I combustibili servono prima a raffreddare il motore. Si riscaldano e vengono poi indotti nella camera di combustione. Ossigeno liquido ed etanolo vengono aggiunti separatamente per essere miscelati tramite un iniettore. La miscela di gas risultante viene accesa. Si espande nella camera di combustione e quindi scorre attraverso una fessura nella camera di combustione per essere decompresso e accelerato dall'ugello, " nota Müller, spiegando come questo motore produce spinta.

Prova a fuoco caldo del motore

I ricercatori con sede a Dresda hanno già testato il prototipo del motore aerospike in una cella di prova presso l'Istituto di ingegneria aerospaziale della TU di Dresda, ottenendo un tempo di combustione di 30 secondi. "Questo processo è speciale perché ci sono stati pochi precedenti per i test sugli ugelli aerospike. Abbiamo dimostrato che un motore a reazione a propellente liquido funzionante può essere prodotto mediante produzione additiva, "dice Muller.

Questo progetto è un esempio della stretta collaborazione tra la TU Dresden e istituti di ricerca non universitari all'interno di un cluster scientifico chiamato DRESDEN-concept. TU Dresden è responsabile del design e del layout del motore; Fraunhofer IWS per la produzione e la validazione dei materiali. Il loro primo passo è stato adattare il design al processo di produzione additiva. I ricercatori hanno quindi selezionato e caratterizzato il materiale. Prossimo, hanno prodotto i due componenti del motore con il metodo L-PBF e ne hanno rielaborato le superfici funzionali. I componenti sono stati uniti mediante saldatura laser e uno scanner per tomografia computerizzata ha ispezionato i pori e altri difetti. Questa valutazione non distruttiva può anche determinare se la polvere sinterizzata ostruisce i canali di raffreddamento. Questo progetto dimostra come i processi AM possono essere integrati nelle catene di processo odierne in modo produttivo in tutti i settori per far progredire lo stato dell'arte nella produzione.