Skyrora completa i test a fuoco del motore LEO da 3,5 kN con componenti multimateriale stampati in 3D

Skyrora ha completato una campagna di sei hot-fire test sul proprio motore LEO da 3,5 kN integrando un componente realizzato attraverso produzione additiva multimateriale e rivestito in titanio, senza rilevare danni nelle parti modificate al termine delle prove. Il programma rappresenta la conclusione del lavoro svolto dall’azienda britannica all’interno di MADE-3D – Multi-Material Design using 3D Printing, progetto Horizon Europe dedicato allo sviluppo di processi additive capaci di combinare materiali differenti all’interno dello stesso componente. Per Skyrora l’interesse non è soltanto accademico: il motore da 3,5 kN è destinato al terzo stadio del lanciatore orbitale Skyrora XL e deve operare in un ambiente nel quale riduzione della massa, gestione termica e affidabilità hanno un effetto diretto sulle prestazioni della missione. La campagna è stata svolta presso il centro prove della società a Midlothian, in Scozia, dove il nuovo componente è stato sottoposto alle condizioni termiche e meccaniche generate da accensioni reali del motore.

Sei accensioni senza danni nei componenti modificati

Secondo i risultati comunicati da Skyrora, durante la campagna sono state eseguite sei prove a fuoco e le successive ispezioni non hanno evidenziato danni nei componenti modificati attraverso il nuovo approccio produttivo. È un passaggio importante nello sviluppo di una tecnologia multimateriale, perché la possibilità di fabbricare una geometria in laboratorio rappresenta soltanto la prima parte del problema. Un componente destinato a un motore a razzo deve sopportare temperature elevate, gradienti termici molto rapidi, vibrazioni, pressioni e carichi che si ripetono a ogni accensione.

Il valore del test consiste quindi nell’aver portato il componente da una fase di sviluppo dei materiali a un ambiente propulsivo reale. Jordan McCormick, Design and Test Engineer di Skyrora, ha sottolineato proprio questo aspetto: uno degli ostacoli principali per le nuove tecnologie produttive consiste nel superare la fase di laboratorio e dimostrare che possono funzionare in condizioni operative. La campagna ha permesso di verificare che la soluzione sviluppata all’interno di MADE-3D possa sopportare almeno la sequenza di prove prevista dal programma senza mostrare degradazioni macroscopiche nelle zone modificate.

Un componente rivestito in titanio per ridurre la massa del motore

La modifica più significativa riguarda l’utilizzo del titanio al posto di una soluzione basata su lega di nichel in una parte del componente. Skyrora indica una riduzione della massa di circa il 44% grazie alla nuova configurazione. Il dato si avvicina all’obiettivo iniziale formulato nel 2023, quando l’azienda aveva annunciato all’interno di MADE-3D lo sviluppo di un ugello vacuum multimateriale con un target di riduzione del peso nell’ordine del 50%.

È importante distinguere i due numeri. Il 50% rappresentava l’obiettivo progettuale comunicato nelle prime fasi del programma; il 44% è invece il valore dichiarato dopo lo sviluppo della configurazione successivamente sottoposta agli hot-fire test. Non si tratta quindi di una contraddizione, ma del passaggio da una previsione di progetto a una soluzione fisicamente realizzata e collaudata.

Perché combinare più materiali nello stesso motore

Un motore a razzo non lavora in condizioni uniformi. Alcune zone sono sottoposte a temperature estreme, altre devono sopportare carichi meccanici elevati, altre ancora possono essere ottimizzate principalmente per diminuire il peso. Utilizzare lo stesso materiale in tutto il componente rappresenta quindi inevitabilmente un compromesso.

La produzione multimateriale cerca di superare questo limite. Invece di scegliere una sola lega che offra prestazioni sufficienti in ogni zona, è possibile progettare localmente il materiale in funzione delle condizioni operative. Una regione può essere ottimizzata per resistere al calore, un’altra per ridurre la massa e un’altra ancora per garantire robustezza strutturale o resistenza all’ossidazione.

Questo concetto è particolarmente interessante negli ugelli e nelle camere di combustione. La superficie interna può essere investita da gas ad altissima temperatura, mentre quella esterna lavora in condizioni differenti. I gradienti termici generati durante accensione e spegnimento possono inoltre provocare dilatazioni non uniformi e sollecitazioni cicliche.

L’additive manufacturing permette almeno teoricamente di modificare composizione e geometria in modo molto più libero rispetto a processi nei quali due materiali devono essere prodotti separatamente e poi uniti mediante saldatura, brasatura o altri procedimenti.

Il multimateriale introduce però nuovi problemi metallurgici

Mettere due metalli differenti all’interno dello stesso componente non significa semplicemente depositarne uno sopra l’altro. Le leghe possono avere coefficienti di espansione termica differenti, temperature di fusione diverse e microstrutture incompatibili. Durante il raffreddamento possono quindi generarsi tensioni residue, cricche, porosità o fasi intermetalliche indesiderate.

È precisamente uno dei problemi che il progetto MADE-3D è stato creato per affrontare. Il programma europeo ha studiato contemporaneamente progettazione delle leghe, simulazione del processo, topologia del componente, gestione delle transizioni tra materiali, controllo delle tolleranze e possibilità di recuperare e riciclare polveri e materiale residuo.

La questione diventa ancora più complessa nel settore spaziale perché non basta dimostrare che il componente appena prodotto sia integro. Deve conservare le proprie caratteristiche dopo cicli termici e sollecitazioni molto elevate. Per questo il passaggio effettuato da Skyrora dalle prove sui materiali agli hot-fire test del motore costituisce uno degli elementi più rilevanti del progetto.

Skyprint 2 combina Directed Energy Deposition e lavorazione CNC

La produzione è stata eseguita utilizzando Skyprint 2, piattaforma sviluppata internamente da Skyrora. La macchina combina Directed Energy Deposition, DED, e lavorazione CNC nello stesso concetto produttivo ed è progettata per realizzare componenti metallici di grandi dimensioni con un approccio near-net-shape.

Nel DED il materiale metallico viene portato direttamente nella zona di lavorazione, dove una sorgente concentrata di energia crea un bagno fuso. Il materiale aggiunto si fonde e solidifica formando progressivamente la geometria desiderata. A differenza del Laser Powder Bed Fusion, l’intera superficie non viene coperta a ogni layer da un letto di polvere. Questo rende il DED particolarmente interessante quando si devono produrre componenti molto grandi, aggiungere materiale a un pezzo esistente o creare zone con composizioni differenti.

La lavorazione CNC integrata permette successivamente di rimuovere materiale e ottenere le superfici e le tolleranze che la sola deposizione non riuscirebbe necessariamente a garantire.

Skyrora definisce Skyprint 2 il più grande sistema ibrido della propria categoria sviluppato in Europa. La macchina può produrre componenti fino a circa 2,3 metri e il suo interesse non risiede soltanto nelle dimensioni, ma nella possibilità di cambiare materiale durante il processo.

Dal monometallico al bimetallico

Skyrora aveva indicato già nel 2023 che la partecipazione a MADE-3D sarebbe servita a sviluppare su Skyprint 2 un processo di stampa bimetallico specifico per il proprio motore LEO. La configurazione testata nel 2026 rappresenta quindi il risultato di un programma avviato più di tre anni prima e non una semplice sostituzione di materiale effettuata su un componente esistente.

La possibilità di passare da un metallo all’altro durante la costruzione permette di utilizzare una lega soltanto nella zona nella quale le sue proprietà sono realmente necessarie. Questo è particolarmente importante per i materiali costosi o pesanti. Se una superlega a base di nichel è indispensabile soltanto vicino alla regione termicamente più critica, non è necessariamente efficiente costruire l’intero componente con la stessa lega.

La transizione deve però essere progettata in modo da evitare una brusca discontinuità delle proprietà. Una delle prospettive più interessanti del DED multimateriale consiste proprio nella possibilità di creare gradienti composizionali, modificando progressivamente il rapporto tra due materiali e realizzando una zona di transizione invece di una semplice interfaccia netta.

Titanio e superleghe di nichel rispondono a esigenze differenti

Il titanio presenta un rapporto resistenza-peso particolarmente favorevole, mentre le superleghe a base di nichel sono apprezzate per la capacità di mantenere elevate proprietà meccaniche alle alte temperature. Sostituire selettivamente una lega di nichel con titanio può quindi produrre una forte riduzione del peso, ma non è una scelta che può essere effettuata indifferentemente in ogni punto del motore.

La parte più interessante dell’approccio multimateriale consiste proprio nel non dover scegliere obbligatoriamente tra i due estremi. Il progettista può cercare di conservare il materiale più resistente alle temperature nelle zone maggiormente sollecitate e utilizzare il titanio dove il risparmio di peso produce un vantaggio maggiore.

Il 44% di riduzione della massa comunicato da Skyrora suggerisce quanto significativa possa essere la differenza quando questa strategia viene applicata a un componente reale.

Il motore LEO produce 3,5 kN e può essere riacceso più volte

Il motore utilizzato nei test non è un dimostratore sviluppato esclusivamente per MADE-3D. È il LEO engine destinato al terzo stadio di Skyrora XL. Utilizza una combinazione di High-Test Peroxide, HTP, e kerosene, dispone di un sistema di alimentazione pressurizzato e produce 3,5 kN di spinta nel vuoto.

Una delle sue caratteristiche più importanti è la possibilità di effettuare accensioni multiple. Per un primo stadio il motore viene normalmente utilizzato durante una singola fase continua del volo; il terzo stadio deve invece poter modificare la propria traiettoria, raggiungere la quota finale e, in alcune missioni, effettuare ulteriori manovre per posizionare payload differenti.

L’impulso specifico di 305 secondi dichiarato da Skyrora rappresenta una misura dell’efficienza propulsiva e assume particolare importanza in un terzo stadio, dove ogni chilogrammo di propellente risparmiato può essere utilizzato per aumentare il payload oppure eseguire ulteriori manovre.

Nel 2020 il motore aveva già accumulato 1.500 secondi di funzionamento nei test in vuoto

Lo sviluppo del LEO engine risale a diversi anni prima del progetto MADE-3D. Nel 2019 Skyrora eseguì uno dei primi test del motore, presentandolo come un propulsore bi-liquido prodotto in larga parte attraverso stampa 3D.

Nel 2020 l’azienda effettuò una campagna molto più estesa comprendente prove in una struttura progettata per ridurre la pressione ambientale fino a circa il 10% della pressione al livello del mare. Skyrora riferì complessivamente cento prove statiche nell’ambito del programma, con venti accensioni del LEO engine in condizioni simulate di vuoto che generarono circa 1.500 secondi complessivi di funzionamento.

Il motore fu inoltre fatto funzionare per un tempo complessivo equivalente a circa tre volte quello previsto per una normale missione e venne riacceso più volte. Questi test erano orientati alla verifica del ciclo di vita, del Thrust Vector Control e dei limiti dell’envelope operativo.

La campagna MADE-3D del 2026 si inserisce quindi su una piattaforma propulsiva già ampiamente testata. La novità non è la dimostrazione dell’esistenza del motore, ma l’introduzione di una nuova tecnologia multimateriale all’interno di un sistema già conosciuto.

Il terzo stadio può diventare anche uno Space Tug

Skyrora ha sviluppato il terzo stadio anche come base per un possibile Space Tug, cioè un veicolo capace di svolgere servizi una volta raggiunta l’orbita. La configurazione pubblicata dall’azienda misura circa 2 metri di lunghezza e 1,9 metri di diametro, con massa a secco di circa 530 kg e spinta principale di 3,5 kN.

Grazie alla capacità di riaccensione, una piattaforma di questo tipo potrebbe teoricamente distribuire più satelliti a quote o fasi orbitali differenti durante la stessa missione. Skyrora ha inoltre indicato possibili applicazioni per servicing e gestione di satelliti.

Ogni riduzione della massa del sistema propulsivo diventa particolarmente interessante in questo scenario, perché la massa strutturale risparmiata può essere convertita in maggiore propellente, payload o capacità di manovra. È questo il collegamento diretto tra il componente MADE-3D più leggero e il potenziale vantaggio di missione.

Skyrora XL utilizza il motore da 3,5 kN soltanto sul terzo stadio

Occorre distinguere il LEO engine dagli altri propulsori di Skyrora XL. Il lanciatore è un veicolo a tre stadi, lungo circa 22,7 metri, con diametro di 2,2 metri e massa al decollo dichiarata di circa 55,8 tonnellate. La capacità massima indicata è fino a 315 kg di payload.

Il primo stadio utilizza nove motori Skyforce, ognuno con circa 70 kN di spinta al livello del mare. Il secondo impiega un singolo Skyforce ottimizzato per il vuoto con una spinta dichiarata di circa 85 kN. Il motore da 3,5 kN entra in funzione soltanto nella fase finale della missione.

La differenza di spinta tra 3,5 e 70-85 kN non significa quindi che il motore LEO abbia un ruolo secondario. Una volta che i primi due stadi hanno portato il veicolo ad alta quota e velocità, il terzo deve effettuare con precisione la parte finale della missione.

Anche il motore da 70 kN viene prodotto attraverso Skyprint 2

La produzione additiva è una tecnologia trasversale nel programma Skyrora e non riguarda soltanto il motore LEO. Nel 2023 l’azienda ha utilizzato Skyprint 2 anche per realizzare una versione aggiornata del proprio motore da 70 kN, introducendo una camera di raffreddamento modificata.

Skyrora dichiarò allora una riduzione del tempo di produzione e dei costi rispetto al modello precedente. La società indicava una fabbricazione circa 66% più rapida e un costo inferiore di circa il 20%.

Questi numeri si riferiscono a una diversa generazione del motore e non devono essere automaticamente applicati al componente MADE-3D, ma mostrano la strategia generale: utilizzare la produzione interna per accorciare i cicli tra progettazione, fabbricazione e test.

Skyprint 2 può produrre componenti fino a 2,3 metri

Il sistema ibrido assume rilevanza anche perché supera le dimensioni normalmente associate alla stampa 3D metallica Powder Bed Fusion. Skyrora dichiara una capacità produttiva fino a 2,3 metri di altezza/lunghezza del componente, a seconda della configurazione.

Una piattaforma DED può depositare molto più materiale per unità di tempo rispetto a molti sistemi a letto di polvere ed è particolarmente adatta a strutture di grandi dimensioni. Il compromesso è una precisione superficiale generalmente inferiore, che spiega l’integrazione della lavorazione CNC.

Il componente viene quindi portato vicino alla geometria finale attraverso deposizione e successivamente lavorato nelle zone che richiedono tolleranze o finiture più strette. Questa combinazione permette di ridurre il volume di materiale che sarebbe necessario asportare partendo da un blocco pieno.

Riparare invece di produrre nuovamente l’intero pezzo

Il DED possiede anche un vantaggio che non è disponibile nello stesso modo con il Powder Bed Fusion: può depositare materiale su un componente già esistente. Skyprint 2 è quindi stato progettato anche per operazioni di riparazione o modifica.

Per componenti aerospaziali costosi questo approccio può avere un valore significativo. Se una zona è usurata o deve essere modificata, in determinate condizioni può essere possibile rimuovere la regione danneggiata, depositare nuovo materiale e successivamente riportarla alle dimensioni richieste attraverso lavorazione meccanica.

Il multimateriale amplia ulteriormente questa possibilità: una riparazione potrebbe teoricamente utilizzare una lega differente rispetto al corpo principale se quella zona richiede caratteristiche specifiche. Naturalmente applicazioni aerospaziali di questo tipo richiedono procedure di qualificazione e controllo particolarmente rigorose.

MADE-3D ha riunito tredici organizzazioni europee

Il componente Skyrora è uno dei dimostratori sviluppati nel progetto MADE-3D, iniziato il 1° gennaio 2023 e ufficialmente concluso il 30 giugno 2026. Secondo la banca dati CORDIS della Commissione europea, il costo complessivo registrato del progetto è di circa 5,48 milioni di euro, quasi interamente coperto da contributo europeo.

Il coordinamento è stato affidato alla Paderborn University in Germania. Il consorzio ha riunito competenze provenienti dall’intera catena dell’additive manufacturing e comprende, oltre a Skyrora, SLM Solutions/Nikon SLM Solutions, Fraunhofer IGCV, University of the Aegean, f3nice, Exponential Technologies, QuesTek Europe, AVL List, Safran Additive Manufacturing Campus, CEA – Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, AMIRES e CSEM – Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique.

Skyrora aveva inoltre comunicato nel 2023 di aver ricevuto 500.000 sterline attraverso Innovate UK in associazione con la Commissione europea per il proprio contributo al programma.

MADE-3D non era un progetto esclusivamente aerospaziale

L’obiettivo del consorzio era più ampio rispetto allo sviluppo del motore britannico. MADE-3D è stato creato per affrontare la produzione multimateriale attraverso Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB, e Directed Energy Deposition, con applicazioni in automotive, aeronautica e spazio.

Tra le combinazioni studiate dal programma figurano sistemi alluminio-rame, nichel-titanio e differenti acciai, scelti per analizzare problemi di compatibilità e proprietà locali.

Il progetto ha sviluppato anche metodi di simulazione per prevedere termodinamica, microstruttura e comportamento durante il processo. Sono state esplorate tecniche di machine learning e active learning per accelerare lo sviluppo delle leghe e ridurre il numero di esperimenti necessari.

L’obiettivo finale non era quindi semplicemente stampare due colori di metallo nello stesso componente, ma creare un workflow completo che permettesse di progettare materiale, geometria e processo contemporaneamente.

Anche il riciclo dei materiali faceva parte del progetto

Una delle difficoltà della produzione multimateriale riguarda il recupero della materia prima. In un sistema a letto di polvere monomateriale, una quota significativa della polvere non fusa può essere setacciata e riutilizzata. Quando vengono introdotti più materiali, il recupero diventa più complesso perché le polveri possono contaminarsi reciprocamente.

MADE-3D ha quindi incluso anche strategie dedicate al riciclo della polvere residua, degli sfridi generati dal post-processing e dei componenti a fine vita.

Nel DED la situazione è differente, ma rimane la necessità di limitare sprechi e overspray. Skyrora ha sviluppato Skyprint 2 con un approccio near-net-shape e sistemi di recupero del materiale residuo proprio per ridurre la quantità di metallo non incorporata nel componente.

Dal target del 50% al risultato del 44%

Quando Skyrora presentò il progetto nel luglio 2023, l’azienda parlava di un possibile 50% di riduzione della massa dell’ugello vacuum. Il test completato nel 2026 indica ora una riduzione di circa il 44% per il componente modificato con titanio rispetto alla precedente soluzione in lega di nichel.

La differenza è interessante perché mostra il normale percorso di sviluppo ingegneristico. Gli obiettivi preliminari vengono definiti attraverso simulazioni e concept; successivamente entrano in gioco producibilità, spessori minimi, interfacce, tolleranze, requisiti termici e margini di sicurezza. Il risultato finale può quindi essere inferiore al target teorico ma molto più significativo perché riferito a un componente realmente costruito e sottoposto a prova.

In un lanciatore, inoltre, una riduzione del 44% di una singola parte non significa un 44% in meno sulla massa del motore né tantomeno sul peso del razzo. Il vantaggio reale dipende dalla massa iniziale di quel componente e dal numero di parti alle quali la tecnologia potrà essere applicata.

Il test dimostra il processo, non ancora la qualificazione di un intero sistema di volo

È altrettanto importante non attribuire alla campagna un significato superiore a quello dichiarato. Sei hot-fire test senza danni costituiscono una dimostrazione importante della tecnologia, ma non equivalgono automaticamente alla qualificazione completa del componente per ogni futura missione orbitale.

La qualificazione aerospaziale richiede normalmente una combinazione di prove strutturali, termiche, metallurgiche, dimensionali e di durata, oltre alla dimostrazione della ripetibilità del processo produttivo.

Il valore della campagna MADE-3D consiste soprattutto nell’aver dimostrato che un componente multimateriale prodotto con Skyprint 2 può essere integrato in un motore reale e attraversare più accensioni senza riportare i danni che avrebbero reso immediatamente inutilizzabile il concetto.

Skyrora sta sviluppando in parallelo nuovi materiali per il DED

Il lavoro sul multimateriale non si conclude con MADE-3D. Nel 2025 Skyrora ha avviato anche un progetto sostenuto dall’European Space Agency dedicato a Tanbium, una nuova lega destinata ai componenti dei motori a razzo.

Secondo l’azienda, il programma mira a ottenere prestazioni superiori rispetto a materiali tradizionali come C103 o Inconel 718 in determinate applicazioni, con un risparmio di peso stimato fino al 30%, riduzione dello spreco di materiale tramite stampa 3D fino al 95% e potenziale abbattimento dei costi del componente fino al 40%. Questi valori rappresentano obiettivi dichiarati dal progetto e non prestazioni già dimostrate su larga scala.

Skyprint 1 e Skyprint 2 costituiscono anche in questo caso le piattaforme previste per le prove DED su ugelli e camere di combustione.

Il vantaggio strategico è produrre internamente motori e relative iterazioni

La scelta di costruire internamente le proprie stampanti assume per Skyrora un significato che va oltre il risparmio sulla singola parte. Un’azienda che sviluppa contemporaneamente motore, materiale e processo produttivo può modificare rapidamente una geometria, produrla e trasferirla alla struttura di test senza dipendere ogni volta dai tempi di un fornitore esterno.

Questo modello è particolarmente importante durante lo sviluppo di un lanciatore. Una prova può evidenziare un problema termico in una determinata zona; gli ingegneri possono aggiornare il CAD, modificare localmente la geometria o la composizione, produrre il nuovo componente e ripetere il test.

La produzione additiva riduce inoltre il numero delle attrezzature dedicate necessarie per ogni revisione. In una fase di sviluppo caratterizzata da continui cambiamenti progettuali, evitare nuovi stampi, utensili e processi di saldatura può incidere significativamente sui tempi.

Perché il test da 3,5 kN è importante anche se Skyrora dispone di motori molto più potenti

Nel settore spaziale la potenza nominale può facilmente far sembrare poco significativo un propulsore da 3,5 kN rispetto a motori da centinaia o migliaia di kilonewton. Nel caso del LEO engine la funzione è però differente: non deve sollevare il lanciatore dalla piattaforma, ma effettuare con precisione le manovre finali quando una parte molto grande della massa iniziale è già stata eliminata con la separazione dei primi due stadi.

È anche un ambiente ideale per sperimentare tecnologie che riducono il peso. Nel terzo stadio il rapporto tra massa strutturale e payload diventa particolarmente sensibile. Ogni componente alleggerito permette potenzialmente di modificare il margine disponibile per propellente o satellite.

Il fatto che la tecnologia multimateriale sia stata validata proprio su questo motore offre quindi a Skyrora un caso applicativo concreto nel quale il beneficio della riduzione del peso può essere più significativo rispetto alla semplice sostituzione di un componente terrestre.

Dalla stampa 3D del pezzo alla progettazione locale delle proprietà

Il risultato più interessante di MADE-3D è probabilmente il cambiamento nel modo di considerare la produzione additiva. Nella prima fase della diffusione industriale dell’AM l’obiettivo principale era costruire forme impossibili o troppo costose da produrre con lavorazioni tradizionali. Con il multimateriale il concetto si sposta ulteriormente: non viene progettata soltanto la geometria, ma anche la distribuzione locale delle proprietà del materiale.

Un ugello può teoricamente diventare leggero dove è possibile, resistente alle temperature dove è necessario e meccanicamente robusto nelle regioni maggiormente sollecitate. Il file digitale descrive quindi non soltanto “dove deve esserci materia”, ma potenzialmente anche “quale materia deve esserci in quella posizione”.

Il passaggio dalla teoria a un motore che viene acceso sei volte rappresenta per questo un risultato più significativo del solo dato del 44%. Skyrora e i partner di MADE-3D hanno portato una tecnologia multimateriale da un progetto europeo di ricerca a un componente installato in un sistema propulsivo reale. Le prossime fasi dovranno dimostrare ripetibilità produttiva, qualificazione e convenienza economica, ma la campagna di Midlothian costituisce un passaggio concreto verso motori nei quali geometria, materiali e processo additive vengono progettati come un unico sistema.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).