Al suo primo lancio, il mega-razzo Space Launch System (SLS) della NASA effettuerà un viaggio intorno alla Luna come parte del volo di prova iniziale per la missione Artemis 1 . Segnerà l’inizio di uno dei programmi spaziali più discussi di quest’anno, Artemis, un’iniziativa di volo spaziale con equipaggio finanziata dal governo con l’obiettivo di far sbarcare la prima donna e il prossimo uomo sulla Luna entro il 2024, in particolare, sul regione lunare del polo sud. I razzi più potenti mai costruiti, lo SLS è a sua volta alimentato da quattro super motori progettati per gestire alcune delle temperature più estreme mentre muovono enormi quantità di propellenti per generare energia sufficiente per far fuggire il razzo dalla gravità terrestre .
Nell’ambito di una lunga collaborazione con la NASA, Aerojet Rocketdyne di Sacramento, California, costruirà un totale di 24 motori a razzo RS-25 per supportare fino a sei voli SLS per un valore totale del contratto di quasi $ 3,5 miliardi. Originariamente previsto per la produzione di sei nuovi motori RS-25 , la società ha recentemente ottenuto una modifica del contratto da $ 1,79 miliardi per costruire 18 motori a razzo RS-25 aggiuntivi per supportare le future missioni di esplorazione dello spazio profondo.
“Questo contratto consente alla NASA di collaborare con Aerojet Rocketdyne per costruire i motori a razzo necessari per le missioni future”, ha dichiarato John Honeycutt, responsabile del programma SLS presso il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama. “Gli stessi motori affidabili che hanno lanciato più di 100 missioni dello space shuttle sono stati modificati per essere ancora più potenti per lanciare i prossimi astronauti che metteranno piede sulla superficie lunare durante le missioni Artemis.”
Anche se lo Space Shuttle Endeavour è ora esposto in un museo al California Science Centera Los Angeles, i suoi motori – insieme a quelli che alimentavano le navette spaziali Discovery e Atlantis – sono stati mantenuti per SLS. Tuttavia, a differenza delle navette, SLS non riutilizzerà i suoi motori. Una volta che la fase principale scompare a circa otto minuti dopo il lancio, i motori si disintegreranno durante il rientro. Al momento ci sono 16 motori RS-25 rimasti nel programma Space Shuttle della NASA che Aerojet Rocketdyne ha aggiornato, testato e pronti a supportare le prime quattro missioni SLS. Tuttavia, con un numero maggiore di missioni SLS che dovrebbero essere lanciate entro la fine del decennio, Aerojet Rocketdyne è stato invitato a costruire più motori; in realtà, sei nuovi motori RS-25 consumabili sono già stati assemblati utilizzando tecniche di produzione avanzate, inclusa la stampa 3D, che riduce sia i costi che i tempi per la produzione di ciascun motore.
I 18 motori aggiuntivi continueranno a sfruttare l’ottimizzazione della catena di approvvigionamento e l’ integrazione delle tecniche di produzione additiva (AM) già introdotte nella produzione iniziale del motore SLS.
L’impiego della tecnologia AM per ridurre i costi e migliorare l’efficienza dei suoi motori è una delle massime priorità dell’azienda aerospaziale e della difesa. L’ ingegnere senior di Aerojet Rocketdyne nel team Additive Manufacturing, Alan Fung, ha dichiarato a 3DPrint.com che centinaia di persone hanno lavorato alla progettazione, allo sviluppo e alla produzione di motori che si basano principalmente sulla tecnologia di fusione laser a letto di polvere per produrre in modo almeno additivo 35 parti su ciascun motore.
“Il nostro obiettivo principale è quello di realizzare parti stampate affidabili e robuste, che funzioneranno al 100% delle volte. Abbiamo iniziato a progettare alcuni di questi pezzi un paio di anni fa per assicurarci che fossero testati e certificati per il programma spaziale della NASA, che è cruciale per la sicurezza delle imminenti missioni con equipaggio “, ha detto Fung.
Con la consegna di questi nuovi motori prevista per l’inizio nel 2023, il team non sta perdendo tempo. Fung ha affermato che “parte della grande ricerca del primo turno era quella di lavorare a stretto contatto con la NASA per lo sviluppo dei processi di certificazione”. Rivelando che “ora abbiamo un processo per produrre parti usando AM che sappiamo essere sicuro ed è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per assicurarci che le nostre parti funzionino sui motori che alimenteranno le future missioni SLS”.
La stampa 3D semplifica la produzione di più parti e componenti RS-25, rendendo il motore più economico da produrre e aumentando l’affidabilità. Con meno saldature delle parti, aumenta l’integrità strutturale del motore. Questo è un processo di produzione molto manuale e complesso. In effetti, i motori a razzo sono così complicati da costruire, che solo una manciata di paesi è stata in grado di produrli.
“Ecco dove AM ha davvero brillato per noi. Siamo stati in grado di eliminare molti giunti di saldatura e di incorporare automaticamente i processi, riducendo il conteggio dei pezzi e riducendo il carico sul motore “, ha affermato Fung.
Uno dei più grandi componenti del motore stampati in 3D era il complesso gruppo accumulatore “Pogo”. Circa delle dimensioni di un pallone da spiaggia, il complesso hardware funge da ammortizzatore per ridurre le oscillazioni causate dai propellenti mentre fluiscono tra il veicolo e il motore. Fung ha descritto il componente stampato in 3D come una parte critica del motore perché aiuta a facilitare la corsa per gli astronauti e il veicolo garantendo un volo sicuro. Inoltre, ha spiegato che il Pogo richiedeva più di 100 giunti di saldatura che dovevano essere eseguiti manualmente e ci sono voluti quasi quattro anni per realizzarlo, mentre il Pogo stampato in 3D sviluppato nella fabbrica di Aerojet Rocketdyne a Los Angeles, ha ridotto le saldature a solo tre, ed è stato completato in meno di un anno.
Alcuni di questi componenti modificati sono già stati testati durante i test del motore che replicano le condizioni di volo. Ad esempio, durante un test di 400 secondi allo Stennis Space Center della NASA, Aerojet Rocketdyne è stato in grado di valutare con successo le prestazioni del gruppo accumulatore Pogo stampato in 3D.
“Prevediamo che sempre più motori saranno prodotti in modo additivo in futuro, lasciandosi alle spalle molti processi di produzione di motori a razzo tradizionali che sono molto difficili e che ci consentono di stampare più motori. Alla fine, il tempo per costruire diminuirà ancora di più, specialmente quando l’industria si prepara a incorporare più laser e macchine più grandi; che è un bene per noi, perché i nostri motori continuano a diventare un po ‘più grandi di quelli precedenti. Quindi, quando quelle macchine diventano più grandi, usano più laser e stampano le parti più velocemente, allora è allora che vedremo un grande cambiamento nel modo in cui costruiamo i motori a razzo ”, ha continuato Fung.
In collaborazione con la NASA, Aerojet ha implementato un piano per ridurre il costo dei motori di oltre il 30% sulla produzione futura rispetto alle versioni che volavano sullo Space Shuttle, il tutto grazie a tecniche di produzione più avanzate, come AM, che aiutano il gli ingegneri modificano alcuni dei componenti del razzo.
Durante il volo, i quattro motori forniranno alla SLS circa due milioni di libbre di spinta per inviare nello spazio il missile heavy-lift. I motori a razzo sono montati alla base di un palco centrale alto 212 piedi, che contiene oltre 700.000 galloni di propellente e fornisce i computer di volo che controllano il volo del razzo.
Il team AM di Aerojet utilizza le macchine GE Concept Laser ed EOS per le sue esigenze di fusione laser selettiva. Fung ha affermato di utilizzare superleghe, principalmente a base di nichel per le parti del motore stampate in 3D, grazie alla sua eccezionale resistenza alla corrosione, all’elevata resistenza e alla capacità di resistere all’infragilimento da idrogeno a causa dei carburanti a idrogeno presenti nella maggior parte dei motori a razzo a propellente liquido di Aerojet Rocketdyne .
“Questi nuovi motori RS-25 sono un aggiornamento rispetto ai motori Space Shuttle, che erano già alcuni dei motori più affidabili realizzati nella storia. Gli ingegneri hanno trascorso 40 anni a rendere i motori shuttle il più affidabili, sicuri e ad alte prestazioni possibili; ma con la produzione additiva abbiamo pensato di poter anche provare a ridurre i costi. Questa tecnologia rivoluzionerà il modo in cui costruiamo i motori ”
Con così tante sfide da affrontare, avere certificati i motori a razzo per portare in orbita i prossimi esploratori lunari sembra un trampolino di lancio per il viaggio che ci aspetta. Dopotutto, il razzo SLS fa parte della spina dorsale della NASA per l’esplorazione dello spazio profondo e preparerà gli umani per i viaggi nello spazio di lunga durata e l’eventuale viaggio su Marte.
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