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Jun 19, 2023

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In einer rauen, unnachgiebigen Umgebung sind umfangreiche Designentscheidungen, eine komplizierte Fertigung und Komponentenintegration für Heißfeuertests von Flüssigkeitsraketentriebwerken erforderlich. Wenn man weiß, dass innerhalb von Millisekunden etwas schief gehen kann, kann das Rumpeln des Motors und der Nervenkitzel des Tests manchmal dazu führen, dass man das Atmen vergisst. Obwohl der Entwurfsprozess für Raketentriebwerke komplex und herausfordernd ist, treten in der Regel keine wesentlichen Probleme auf.

Die Herstellung und Montage von Komponenten zu einem komplexen System erfordert viel Zeit, Kosten und Fachkenntnisse, um die Integrations- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Doch das Potenzial der additiven Fertigung (AM) für Antriebsanwendungen zeigt sich in der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie bei kritischen Teilen und ermöglicht Raketendesigns, die bisher nicht möglich waren. Modernste Techniken wie AM werden eingesetzt, um die Anzahl der Teile zu reduzieren, das Gewicht zu optimieren und eine komplexere Teilegeometrie zu ermöglichen. AM reduziert die Kosten und Durchlaufzeiten der Fertigungskomponenten erheblich. AM ermöglicht auch einen viel schnelleren Design-Fail-Fix-Zyklus, um frühe Prototypen zu entwickeln und zu testen, bevor sie in die Produktion gehen.

Die NASA spielt eine entscheidende Rolle bei der Lösung einiger Herstellungsherausforderungen und bei der Verbesserung der Leistung von Raketentriebwerken. Ein Beispiel für eine Entwicklung mit hohem Risiko und hohem Ertrag ist das Game Changing Development Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology (RAMPT)-Projekt der NASA.

RAMPT beauftragte Industrie, Gewerbe und Wissenschaft mit der Weiterentwicklung und Integration mehrerer AM- und fortschrittlicher Fertigungsprozesse und deren Nachweis durch Heißbrandtests. Die Brennkammer und die Düse des Flüssigkeitsraketentriebwerks werden häufig aus einer einzigen Legierung mithilfe eines der vielen additiven Metallfertigungsverfahren hergestellt. RAMPT erforschte neue Forschungsergebnisse, um neue Legierungen und AM-Komponenten mit mehreren Legierungen zu entwickeln und mehrere der Metall-AM-Prozesse zur weiteren Optimierung von AM-Designs zu kombinieren. Diese Philosophie veranlasste das Team, neuartige AM-Designs mit anderen fortschrittlichen Herstellungstechniken für die Ummantelung von Verbundwerkstoffen zu kombinieren, um das Gewicht weiter zu reduzieren (Abbildung 1).

Abbildung 1. RAMPT-Konzept mit Multilegierungs-AM, großformatigem LP-DED und Verbundummantelung, integriert in eine Raketentriebwerks-Schubkammerbaugruppe (NASA).

Die Skalierung war eine der Herausforderungen, die das RAMPT-Team gemeistert hat. Die NASA hat zusammen mit Industriepartnern das AM-Verfahren zur Laserpulver-gesteuerten Energieabscheidung (LP-DED) weiterentwickelt, um komplexe dünnwandige interne Kanalgeometrien in Maßstäben von mehr als 1 Meter Durchmesser zu demonstrieren. Ziel war die kanalgekühlte Düse. Der Freiform-LP-DED-Prozess ermöglicht eine groß angelegte additive Fertigung – ohne Einschränkungen durch die Baubox. In nur 90 Tagen druckte das RAMPT-Projekt eine der größten AM-Düsen, die die NASA mithilfe von LP-DED hergestellt hat, die über 1.000 interne Kanäle umfasste und einen Durchmesser von 1,5 m (59 Zoll) und eine Höhe von 1,8 m (72 Zoll) hatte (Abbildung 2). . Im Rahmen des RAMPT-Projekts wurde auch eine vollständige RS-25-Raketentriebwerksdüsenauskleidung mit einem Durchmesser von 2,4 m (95 Zoll) und einer Höhe von 2,8 m (111 Zoll) entwickelt, die jedoch keine internen Kanäle enthielt (Abbildung 2).

Abbildung 2. Großflächige gerichtete Energieabscheidungsdüsen. (Links) Integrierte Kanaldüse mit 1,5 m Durchmesser und 1,8 m Höhe aus NASA HR-1-Legierung [NASA / RPMI]. (Rechts) Auskleidung mit 2,4 m Durchmesser und 2,8 m Höhe unter Verwendung von Doppelkopf-LP-DED mit JBK-75-Legierung (NASA / DM3D).

Abbildung 3. Verschiedene Maßstäbe von AM-Schubkammern mit Verbundummantelung aus mehreren Legierungen und mehreren Prozessen, die im Rahmen des RAMPT-Projekts (NASA) entwickelt wurden.

Die NASA hat über 100.000 Sekunden Heißfeuertests an verschiedenen AM-Teilen und -Systemen durchgeführt. Diese Erfahrung hat der NASA geholfen, viele der Herausforderungen und Einschränkungen von AM zu verstehen und dabei zu helfen, Standards für die Zertifizierung von AM-Komponenten festzulegen. Um die Technologie im Rahmen des RAMPT-Projekts weiter voranzutreiben, wurden integrierte Schubkammern mit 2.000 lbf (8,9 kN) und 7.000 lbf (31 kN) am Teststand 115 des Marshall Space Flight Center (MSFC) der NASA einem Heißfeuertest unterzogen (Abbildung 4). Es wurden auch entkoppelte (verschraubte) Schubkammertests bei 35.000 lbf (156 kN) durchgeführt, um Daten zur L-PBF GRCop-42-Kammer und der NASA HR-1 LP-DED-Integralkanaldüse zu erhalten (Abbildung 5). Diese Tests bewiesen die Herausforderungen der AM-Mehrfachlegierungen, der kombinierten AM-Prozesse und der Verbundummantelung und lieferten verschiedene Erkenntnisse für die Infusion in der Industrie. Zukünftige Tests umfassen einen vollgekuppelten 40.000 lbf (178 kN) bei Kammerdrücken über 1.400 psi (97 bar).

Abbildung 4. Heißbrandtest einer mit Verbundwerkstoffummantelung gekoppelten GRCop-42 L-PBF-Kammer und LP-DED NASA HR-1-Düse (NASA).

RAMPT nutzte einen kombinierten AM-Prozessansatz mit mehreren Legierungen zusammen mit komplexen Verbundwerkstoffanwendungen und fortschrittlichen AM-Simulationsfunktionen, um groß angelegte, regenerativ gekühlte Flüssigkeitsraketentriebwerkstechnologie zu entwickeln. Das RAMPT-Projekt reduzierte die Vorlaufzeiten für Entwurf, Analyse, Fertigung und Montagelebenszyklus um über 50 %. Außerdem wurde die Anzahl der Teile um mehr als das Zehnfache verringert, das Gewicht um mehr als 30 % reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht. Zu den weiteren Errungenschaften von RAMPT gehörten die Einbindung der Fertigungsgemeinschaft und die Erleichterung der Einführung von Technologie in die kommerzielle Industrie durch öffentlich-private Partnerschaften, um eine gesunde Lieferkette zu schaffen. Alle im Rahmen des RAMPT-Projekts generierten Daten stehen Industriepartnern zur Verfügung.

Abbildung 5. Heißbrandtest einer 35.000 lbf AM bimetallischen GRCop-42 L-PBF/Inconel 625 LP-DED-Brennkammer und LP-DED-Düse mit integrierten Kanälen (NASA).

Die NASA beteiligt sichbei Additive Manufacturing Strategies, die vom 7. bis 9. Februar 2023 in New York City stattfindet. Paul Gradl, Chefingenieur und Fachexperte am NASA Marshall Space Flight Center (MSFC), wird an Sitzung 3, Vortrag 2: Metall teilnehmen AM for Rocket Engines: Successes and Failures, am 8. Februar. Registrieren Sie sich hier für Ihr Ticket zur Teilnahme.

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