LEAP 71, azienda con sede a Dubai specializzata in ingegneria computazionale applicata alla propulsione spaziale, e HBD, produttore cinese di sistemi industriali per la stampa 3D metallica con base a Shanghai, hanno collaborato per realizzare uno dei motori a razzo più complessi mai prodotti tramite manifattura additiva: un motore aerospike methalox da 200 kN di spinta, stampato come pezzo monolitico in Inconel 718. L’unità, alta circa un metro e progettata per funzionare con metano criogenico e ossigeno liquido, sarà esposta al TCT Asia di Shanghai come dimostratore di un’architettura pensata per gli stadi superiori di lanciatori completamente riutilizzabili.
Un motore aerospike methalox da 20 tonnellate di spinta
Il motore, identificato come XRA-2E5, è progettato per erogare circa 20 tonnellate di spinta, equivalenti a 200 kN o a circa 45.000 lbf, in configurazione methalox, quindi con propellenti metano liquido e ossigeno liquido. L’altezza complessiva è nell’ordine del metro e la geometria integra camera di combustione toroidale, spike centrale e circuiti di raffreddamento in un’unica struttura senza giunzioni, pensata per ridurre punti deboli e semplificare l’assemblaggio del sistema propulsivo. LEAP 71 indica esplicitamente che questa configurazione mira all’impiego sugli stadi superiori di lanciatori riutilizzabili di grande taglia, dove la combinazione tra compensazione di quota tipica dell’aerospike e spinta elevata può offrire margini di efficienza significativi nei profili di missione orbitali.
Aerospike: architettura “inside‑out” e gestione termica
A differenza dei motori a razzo con ugello campana, l’aerospike utilizza un’architettura “inside‑out”: i gas di combustione vengono espansi lungo una superficie centrale a forma di spike, mentre la pressione ambiente “chiude” il flusso e contribuisce alla formazione dell’ugello efficace. Questa configurazione consente di mantenere un’elevata efficienza su un ampio intervallo di quote, riducendo le perdite dovute a sotto‑ o sovra‑espansione che affliggono gli ugelli tradizionali ottimizzati per una singola quota. Nel caso dell’XRA-2E5, LEAP 71 e HBD adottano una camera di combustione toroidale e uno spike centrale dotati di canali di raffreddamento integrati, con una strategia rigenerativa in cui il metano criogenico raffredda le pareti esterne della camera mentre l’ossigeno liquido viene utilizzato per lo spike.
Inconel 718 e LPBF di grande formato con HBD 800
Il motore è stato prodotto da HBD tramite un sistema di fusione a letto di polvere laser (LPBF) HBD 800, una macchina a dieci laser con volume di costruzione pari a 830 × 830 × 1250 mm, collocata tra le piattaforme più grandi disponibili per la stampa 3D metallica nel settore. La costruzione è stata completata in 289 ore di processo continuo, un dato che evidenzia sia la stabilità della piattaforma sia la complessità della geometria, caratterizzata da pareti sottili, sovrastrutture a basso angolo di inclinazione e una rete di canali interni difficile da realizzare con tecnologie convenzionali. HBD ha utilizzato Inconel 718, una superlega a base nichel con alta resistenza meccanica e stabilità a temperatura elevata, già ampiamente impiegata in applicazioni aerospaziali e in camere di combustione per motori a razzo grazie alla buona resistenza alla fatica termica e alla compatibilità con ambienti ossidanti ad alta pressione.
Noyron: dal modello computazionale alla geometria pronta per la stampa
La progettazione del motore XRA-2E5 è stata affidata a Noyron, il Large Computational Engineering Model sviluppato da LEAP 71 per generare geometrie 3D fisicamente coerenti e fabbricabili a partire da specifiche di progetto e vincoli di processo. Noyron integra modelli fisici, vincoli ingegneristici e limiti della produzione additiva per proporre soluzioni in cui dinamica dei fluidi, resistenza strutturale e produttibilità vengono considerate in modo congiunto, con l’obiettivo di ridurre i cicli di iterazione tra progettazione, stampa e test. Lo stesso approccio è stato applicato in precedenza a motori da 20 kN, sia a ugello campana sia aerospike, stampati in lega di rame CuCrZr con il supporto di Aconity3D, sui quali LEAP 71 ha condotto prove di accensione per validare le previsioni del modello computazionale e alimentare un ciclo di miglioramento continuo.
Dal banco prova ai 200 kN: continuità con i test precedenti
Prima dell’XRA-2E5 da 200 kN, LEAP 71 ha eseguito una serie di hot‑fire test su motori di taglia inferiore, compresa una campagna su due motori methalox da 20 kN (uno a ugello campana e uno aerospike) nei quali si è raggiunta una pressione di camera di circa 50 bar e un’efficienza di combustione superiore al 93% per la configurazione campana. Questi test hanno confermato la validità delle assunzioni fisiche alla base di Noyron e hanno evidenziato criticità soprattutto nella gestione dei transitori di avvio per l’aerospike, che LEAP 71 indica come area di sviluppo prioritario per garantire ripetibilità e margini operativi adeguati in vista di motori di classe superiore. Parallelamente, collaborazioni con operatori come The Exploration Company e programmi in cui sono stati presentati propulsori monoblocco da 200 kN realizzati con sistemi di stampa di grande formato (ad esempio con Eplus3D) mostrano una traiettoria chiara verso l’aumento della spinta e delle dimensioni dei motori generati tramite ingegneria computazionale.
Ruolo di HBD e dimostrazione al TCT Asia
Per HBD, la produzione dell’XRA-2E5 è una dimostrazione di capacità del sistema HBD 800, che combina un ampio volume di stampa, un array di dieci laser e strategie di controllo avanzato del processo per gestire componenti con geometrie estreme tipiche della propulsione spaziale avanzata. La riuscita del motore al primo tentativo di stampa viene indicata dall’azienda come prova della stabilità del processo e della maturità della propria piattaforma per applicazioni critiche, aprendo la strada a programmi in cui strutture portanti, camere di combustione e sistemi di raffreddamento vengono integrati in un unico componente monolitico. L’esposizione del motore al TCT Asia di Shanghai rappresenta inoltre un’occasione per posizionare HBD come attore di riferimento nel segmento LPBF di grande formato per l’aerospazio, accanto a realtà che operano su mercati simili con piattaforme multi‑laser di grande volume.
Aerospike e lanciatori riutilizzabili di nuova generazione
LEAP 71 sottolinea che l’aerospike è particolarmente interessante per lanciatori nei quali sia il booster sia lo stadio superiore vengono recuperati e riportati al sito di lancio, scenario che richiede motori efficienti sia a livello del mare sia in vuoto, con capacità di throttling profondo. In questo contesto, l’integrazione tra ingegneria computazionale (Noyron) e stampa 3D metallica di grande formato consente di esplorare configurazioni storicamente difficili da realizzare, nelle quali la complessità geometrica non rappresenta più un ostacolo ma diventa un fattore abilitante per funzioni come il raffreddamento rigenerativo avanzato e l’ottimizzazione della distribuzione degli sforzi strutturali. L’XRA-2E5 viene descritto come una tappa di convalida industriale all’interno di un programma pluriennale che coinvolge anche Aspire Space e il concetto di veicolo riutilizzabile Oryx, orientato a missioni in orbita terrestre con elevato numero di riutilizzi.
LEAP 71 tra open source, motori computazionali e applicazioni spaziali
Oltre ai progetti legati a Noyron, LEAP 71 ha presentato in passato PicoGK, un framework open source che costituisce la base di molti dei propri modelli di ingegneria computazionale, mentre il modello RP/CEM dedicato alla propulsione spaziale rimane proprietario. L’azienda vede nell’ingegneria computazionale un modo per ridurre drasticamente i tempi di sviluppo di nuove tecnologie, passando da cicli di progettazione e test di settimane o mesi a iterazioni nell’ordine delle ore, grazie alla capacità di generare rapidamente geometrie pronte per la produzione sulla base di requisiti e vincoli. La combinazione di questi strumenti con partner industriali come HBD, Aconity3D, Eplus3D e operatori spaziali come The Exploration Company e Aspire Space suggerisce una strategia in cui modelli, dati di test e capacità di manifattura additiva vengono integrati lungo tutta la catena di sviluppo dei motori a razzo.
Possibili sviluppi futuri e prossimi passi
Dopo la realizzazione dell’XRA-2E5, i prossimi passi prevedono l’avvio di una campagna di collaudo a caldo per convalidare il comportamento del motore alle condizioni operative previste e verificare la robustezza della progettazione generata da Noyron su una scala di spinta superiore rispetto ai prototipi precedenti. In parallelo, è plausibile che LEAP 71 continui a utilizzare i dati provenienti dai test per affinare il modello computazionale, migliorando la predittività su fenomeni critici come l’erosione termica, i gradienti di temperatura nelle pareti e le oscillazioni di combustione, mentre HBD e gli altri partner di manifattura additiva potranno ottimizzare strategie di processo, parametri di scansione e gestione del calore per componenti di dimensioni ancora maggiori. Alla scala di centinaia di kN, ogni incremento di efficienza e di affidabilità ottenuto tramite l’integrazione tra software di ingegneria computazionale e piattaforme LPBF industriali può avere un impatto diretto sul costo per chilogrammo in orbita dei futuri lanciatori riutilizzabili.
