Con il Raptor 3, SpaceX ha portato avanti una delle trasformazioni più interessanti del proprio programma di propulsione: aumentare la spinta del motore riducendo contemporaneamente massa, numero di componenti esterni e complessità dell’installazione sul veicolo.
Dietro questa evoluzione c’è anche un impiego esteso della produzione additiva metallica, utilizzata non semplicemente per sostituire componenti fabbricati con processi convenzionali, ma per riprogettare parti del motore che con lavorazioni tradizionali sarebbero difficili da ottenere nella stessa forma.
Il Raptor 3 è il motore destinato alle successive evoluzioni del sistema Starship e Super Heavy di SpaceX, alimentato con metano liquido e ossigeno liquido e basato su un ciclo di combustione full-flow staged combustion.
La terza generazione mostra quanto SpaceX stia concentrando lo sviluppo non soltanto sulle prestazioni assolute del motore, ma sulla possibilità di costruirlo in grandi numeri, integrarlo più facilmente nel veicolo e ridurre le operazioni necessarie tra un volo e quello successivo.
280 tonnellate-forza di spinta per un motore da 1.525 chilogrammi
I dati pubblicati da SpaceX permettono di confrontare direttamente le tre principali generazioni del Raptor.
Il Raptor 1 nella variante a livello del mare sviluppava circa 185 tonnellate-forza di spinta e aveva una massa di circa 2.080 kg.
Con il Raptor 2, SpaceX era salita a 230 tonnellate-forza, riducendo la massa del motore a circa 1.630 kg.
Il Raptor 3 raggiunge invece 280 tonnellate-forza, equivalenti a circa 2,75 MN, con una massa dichiarata di appena 1.525 kg.
Rispetto al Raptor 2 significa quindi ottenere circa il 21% di spinta in più da un motore che pesa approssimativamente il 7% in meno.
Il confronto con la prima generazione è ancora più netto: la spinta aumenta di oltre il 50%, mentre la massa diminuisce di oltre mezzo tonnellata.
SpaceX indica inoltre per il Raptor 3 un impulso specifico di 350 secondi, rispetto ai 347 secondi dichiarati per il Raptor 2.
Il dato più significativo, tuttavia, non riguarda necessariamente la massa del solo motore.
Da 2.875 a 1.720 kg considerando anche l’hardware installato sul veicolo
SpaceX ha pubblicato anche un parametro meno abituale ma particolarmente utile: la massa complessiva costituita dal motore e dall’hardware che il suo funzionamento richiede sul veicolo.
Per il Raptor 2, questa massa arrivava a circa 2.875 kg.
Nel Raptor 3 scende a circa 1.720 kg.
La differenza supera quindi 1,1 tonnellate per ogni motore.
È un dato importante perché rende visibile un vantaggio che non sarebbe evidente confrontando esclusivamente il peso dei due propulsori.
Quando un motore richiede tubazioni esterne, protezioni termiche, sistemi di soppressione degli incendi, raccordi, supporti e altri elementi installati sul razzo, tutto questo materiale deve essere considerato nella massa reale del sistema propulsivo.
SpaceX ha lavorato proprio su questa massa indiretta.
Molti circuiti precedentemente collocati all’esterno sono stati incorporati nel motore e alcune parti esposte sono state dotate di sistemi di raffreddamento integrati. Il risultato è un propulsore dall’aspetto molto più pulito rispetto alle precedenti generazioni.
Il Raptor 3 non richiede più la protezione termica del Raptor 2
Una delle modifiche più importanti riguarda la gestione del calore.
Il gruppo di 33 motori installato alla base del booster Super Heavy opera in un ambiente estremamente difficile. Durante il funzionamento, ogni motore è circondato da flussi di gas ad altissima temperatura e deve contemporaneamente sopportare vibrazioni, pressione e sollecitazioni meccaniche.
Nel Raptor 2 erano necessari sistemi di protezione aggiuntivi per alcuni componenti e collegamenti.
Con il Raptor 3, SpaceX ha integrato nel progetto una parte maggiore dei circuiti secondari e ha introdotto il raffreddamento rigenerativo anche per componenti precedentemente esposti.
Nel raffreddamento rigenerativo uno dei propellenti viene fatto circolare attraverso canali interni prima di raggiungere la camera di combustione. Il fluido assorbe calore dalle pareti e da altre zone soggette ad alte temperature, contribuendo a mantenerle entro limiti accettabili.
Questo principio è comune nei motori a razzo ad alte prestazioni. Ciò che cambia con Raptor 3 è l’estensione dell’integrazione.
Secondo SpaceX, la nuova architettura permette di eliminare sia parte delle protezioni termiche precedentemente necessarie sia il sistema antincendio associato alla precedente configurazione.
La stampa 3D metallica permette di spostare i circuiti all’interno del componente
È proprio in questo passaggio che la manifattura additiva assume un ruolo determinante.
Con lavorazioni convenzionali, realizzare un componente metallico attraversato da numerosi canali curvi, condotti di raffreddamento e percorsi interni può richiedere la produzione di più elementi separati.
Le diverse parti devono successivamente essere saldate, brasate, imbullonate o collegate in qualche altro modo.
Ogni giunzione aggiunge materiale, lavorazioni, controlli e potenziali punti di perdita.
La stampa 3D metallica permette invece di costruire geometrie con passaggi interni già incorporati nel componente.
Questo non significa semplicemente produrre la stessa parte con una macchina differente. Significa modificare l’architettura stessa del componente.
È uno degli esempi più chiari del concetto di Design for Additive Manufacturing, o DfAM: progettare partendo dalle possibilità offerte dalla produzione additiva invece di adattare alla stampa 3D un componente progettato originariamente per fresatura, fusione o saldatura.
La riduzione del numero di parti può essere più importante della riduzione del loro peso
In un motore a razzo la semplificazione ha conseguenze che vanno oltre il peso.
Supponiamo che un gruppo funzionale formato da dieci componenti, diverse tubazioni, quattro raccordi e tre saldature possa essere trasformato in un numero molto inferiore di elementi.
La prima conseguenza è la riduzione della distinta base.
Diminuiscono poi le operazioni di assemblaggio, le saldature da controllare, le tolleranze cumulative, i punti nei quali potrebbero verificarsi perdite e il numero di componenti che devono essere acquistati, movimentati e immagazzinati.
Su una singola unità il beneficio può sembrare limitato.
Ma SpaceX non deve costruire pochi Raptor.
Il booster Super Heavy utilizza decine di motori e l’architettura Starship è stata concepita attorno a una produzione seriale su una scala poco comune per motori a razzo di questa classe.
Qualunque riduzione dei tempi di assemblaggio del singolo Raptor viene quindi moltiplicata per il numero di motori necessari.
Raptor 3 è anche un progetto pensato per essere prodotto in serie
Questo punto aiuta a interpretare l’aspetto del Raptor 3.
Il confronto visivo con Raptor 1 è particolarmente evidente.
La prima generazione mostra un elevato numero di tubazioni, cablaggi e componenti esterni. Sul Raptor 2 la quantità di hardware visibile diminuisce sensibilmente. Nel Raptor 3 la superficie esterna appare ancora più semplificata.
L’obiettivo non è estetico.
Un motore dotato di meno collegamenti esterni è potenzialmente più semplice da assemblare sul veicolo, richiede meno operazioni durante la produzione e può ridurre alcune attività di controllo.
La manifattura additiva diventa quindi parte di una strategia industriale più ampia.
SpaceX deve trovare un equilibrio fra tre esigenze che spesso entrano in conflitto: prestazioni, affidabilità e producibilità.
Raptor 3 mostra come l’azienda stia cercando di migliorare tutte e tre attraverso una maggiore integrazione.
SpaceX non comunica tutti i dettagli dei propri processi additive
Nonostante il ruolo evidente della stampa 3D nel programma Raptor, SpaceX mantiene riservata gran parte delle informazioni sui sistemi produttivi, sui parametri utilizzati e sui materiali impiegati nei singoli componenti.
Le informazioni pubblicamente disponibili indicano un importante utilizzo di tecnologie di Laser Beam Powder Bed Fusion, note anche come PBF-LB.
In questo processo un laser fonde selettivamente sottilissimi strati di polvere metallica, costruendo progressivamente il componente.
La tecnologia è particolarmente adatta alla realizzazione di elementi con circuiti interni complessi e permette di utilizzare superleghe e altri materiali destinati alle condizioni termiche e meccaniche tipiche dell’aerospazio.
Nel caso specifico del Raptor 3, però, è opportuno distinguere ciò che SpaceX ha confermato da ciò che viene ricostruito attraverso informazioni provenienti dall’industria.
L’azienda non ha pubblicato una distinta dei componenti stampati né ha specificato quali parti siano realizzate con determinate macchine additive.
Il rapporto fra SpaceX e Velo3D
Uno dei collegamenti più interessanti riguarda Velo3D, produttore statunitense di sistemi per la manifattura additiva metallica.
SpaceX è stata associata per diversi anni all’utilizzo delle piattaforme Sapphire di Velo3D, basate su tecnologia powder bed fusion laser.
Secondo informazioni pubblicate nel settore, SpaceX avrebbe acquistato più di venti sistemi Sapphire.
Le stampanti Velo3D sono state sviluppate con particolare attenzione alla produzione di geometrie metalliche complesse, comprese superfici a bassa inclinazione e strutture interne difficili da realizzare con piattaforme additive meno specializzate.
È facile comprendere perché queste caratteristiche siano interessanti per componenti di propulsione, nei quali condotti interni, collettori, pareti sottili e circuiti di raffreddamento rappresentano spesso alcune delle geometrie più problematiche.
Il rapporto fra le due aziende ha assunto nel 2024 una dimensione ancora più significativa.
Un accordo da 8 milioni di dollari fra SpaceX e Velo3D
Il 12 settembre 2024 SpaceX e Velo3D hanno sottoscritto un accordo di licenza tecnologica e servizi.
La documentazione depositata da Velo3D presso la Securities and Exchange Commission statunitense permette di conoscere dettagli che normalmente rimarrebbero all’interno di un rapporto commerciale privato.
SpaceX ha accettato di pagare complessivamente 5 milioni di dollari per la licenza della tecnologia Velo3D.
A questa cifra si aggiungono altri 3 milioni di dollari per servizi di ingegneria e supporto.
Il valore complessivo dell’accordo raggiunge quindi 8 milioni di dollari.
Non si tratta semplicemente dell’acquisto di altre stampanti.
Ed è proprio questo l’aspetto più interessante.
SpaceX ottiene una licenza perpetua sulla tecnologia Velo3D per uso interno
L’accordo concede a SpaceX una licenza mondiale, non esclusiva, royalty-free e perpetua su determinate tecnologie di Velo3D per le proprie attività interne.
SpaceX può utilizzarle, copiarle, modificarle, integrarle e svilupparle per le proprie necessità.
La licenza comprende inoltre i miglioramenti apportati da Velo3D alla tecnologia interessata nei dodici mesi successivi all’entrata in vigore dell’accordo.
La proprietà intellettuale originaria rimane a Velo3D.
C’è però una clausola particolarmente significativa: gli eventuali miglioramenti sviluppati direttamente da SpaceX appartengono a SpaceX.
L’azienda aerospaziale non è obbligata a trasferire a Velo3D codice sorgente, documentazione o copie eseguibili delle proprie modifiche.
Questo assetto permette quindi a SpaceX di utilizzare una base tecnologica sviluppata da Velo3D e di adattarla profondamente alle proprie necessità produttive.
SpaceX può personalizzare il processo additive attorno ai propri motori
La possibilità di intervenire sulla tecnologia è importante perché i requisiti di SpaceX sono molto differenti da quelli di un normale utilizzatore di una stampante 3D metallica commerciale.
Un’azienda che acquista una piattaforma additive può utilizzare macchina, software e parametri forniti dal produttore.
SpaceX dispone invece di volumi produttivi, competenze metallurgiche e necessità applicative sufficienti a giustificare lo sviluppo di processi specifici.
Può quindi essere interessante modificare software, strategie di scansione del laser, gestione dei parametri, procedure di controllo e integrazione con altri sistemi della fabbrica.
L’accordo con Velo3D offre a SpaceX una maggiore autonomia proprio in questa direzione.
Non significa che SpaceX abbia acquisito Velo3D né che possa commercializzarne liberamente la tecnologia. I diritti sono destinati principalmente alle attività interne della società aerospaziale.
Ma per un produttore che considera la capacità di costruire internamente i propri motori un elemento strategico, l’accesso diretto alla tecnologia produttiva assume un valore considerevole.
La produzione additiva riduce anche i tempi di modifica del progetto
C’è un altro motivo per cui SpaceX utilizza intensamente la manifattura additiva: la velocità di sviluppo.
Il modello operativo dell’azienda è basato su iterazioni frequenti.
Un componente viene progettato, costruito, testato e modificato sulla base dei risultati ottenuti.
Quando sono necessari stampi, attrezzature specifiche o lunghi cicli di produzione, ogni modifica può richiedere settimane o mesi.
Con la stampa 3D metallica, una parte consistente delle modifiche può essere introdotta direttamente nel modello digitale.
Naturalmente un componente destinato a un motore a razzo continua a richiedere verifiche dimensionali, trattamenti termici, lavorazioni successive e controlli non distruttivi.
La produzione additiva non elimina questi passaggi.
Riduce però la dipendenza da utensili e attrezzature specifiche per ogni nuova geometria.
Per un programma che modifica continuamente il proprio hardware, questo può ridurre in modo significativo il tempo fra una versione e quella successiva.
Il Raptor 3 è stato sottoposto a prove a McGregor
SpaceX ha sottoposto il primo Raptor 3 completo a prove di accensione presso il proprio centro di test di McGregor, in Texas.
Uno dei test iniziali documentati comprendeva un’accensione di circa 30 secondi.
L’hot-fire è una fase fondamentale nello sviluppo di un motore perché permette di valutare il comportamento reale della camera di combustione, delle turbopompe, dei circuiti propellenti e del sistema di raffreddamento.
Nel caso di un progetto fortemente integrato come Raptor 3, le prove assumono un’ulteriore importanza.
Ridurre il numero delle parti e incorporare funzioni precedentemente esterne comporta infatti anche una maggiore interdipendenza fra i componenti.
L’integrazione consente di eliminare giunti e collegamenti, ma richiede contemporaneamente un controllo molto accurato dei processi produttivi.
I vantaggi della stampa 3D devono essere accompagnati da controlli molto rigorosi
Un componente metallico stampato in 3D destinato a un motore a razzo non può essere valutato come un normale componente meccanico.
Difetti microscopici, porosità, residui di polvere nei canali o variazioni delle proprietà metallurgiche possono diventare critici quando il pezzo opera con pressioni e temperature elevate.
Per questo motivo il processo additive comprende molto più della fase all’interno della stampante.
Sono necessari controllo delle polveri, monitoraggio della costruzione, trattamenti termici, lavorazioni CNC delle superfici funzionali, ispezioni dimensionali e tecniche di controllo non distruttivo.
Per alcune applicazioni possono essere utilizzati anche trattamenti come la pressatura isostatica a caldo, destinata a ridurre porosità residue e migliorare determinate caratteristiche del materiale.
La capacità di controllare l’intera catena produttiva è quindi parte essenziale della maturità raggiunta dalla manifattura additiva aerospaziale.
Leghe di rame e superleghe di nichel sono centrali nella propulsione additive
L’industria dei motori a razzo utilizza differenti famiglie di materiali in funzione della zona del propulsore.
Le superleghe a base di nichel offrono elevate proprietà meccaniche alle alte temperature e sono diffuse nelle applicazioni aerospaziali.
Le leghe di rame presentano invece una conducibilità termica molto superiore e sono particolarmente interessanti nelle camere di combustione raffreddate rigenerativamente.
Negli ultimi anni, organizzazioni come NASA e diverse aziende aerospaziali hanno sviluppato processi additive dedicati a leghe di rame specificamente concepite per questi ambienti.
La stampa 3D permette in alcuni casi di integrare direttamente nella parete della camera una rete di canali attraverso i quali circola il propellente refrigerante.
SpaceX non rende pubbliche tutte le combinazioni di materiali e processi utilizzate nel Raptor 3, quindi non è corretto attribuire automaticamente al motore una determinata lega solo perché è comune nel settore.
Il quadro tecnologico mostra però perché la produzione additiva sia diventata particolarmente importante proprio nella propulsione spaziale.
Con 33 motori, ogni chilogrammo risparmiato si moltiplica
La scala del sistema Starship rende ancora più interessante la riduzione della massa.
Il booster Super Heavy utilizza un numero molto elevato di motori Raptor.
Quando una modifica permette di eliminare decine o centinaia di chilogrammi di hardware associato a ogni singolo motore, il vantaggio complessivo sul veicolo può diventare di diverse tonnellate.
Lo stesso ragionamento vale per il numero delle parti.
Una saldatura eliminata da un singolo componente può sembrare un miglioramento marginale.
Moltiplicata per numerosi componenti, decine di motori e una produzione ripetuta di booster e Starship, diventa una riduzione significativa del lavoro industriale.
È qui che la manifattura additiva si collega direttamente al modello economico di SpaceX.
La riutilizzabilità richiede motori progettati anche per ridurre la manutenzione
Starship è stata concepita attorno alla riutilizzabilità.
Per raggiungere frequenze di volo elevate non è però sufficiente recuperare fisicamente il booster e la nave.
Il veicolo deve poter essere preparato per un nuovo volo senza una lunga revisione di ogni componente.
L’architettura più integrata del Raptor 3 punta anche a questo obiettivo.
Meno protezioni esterne, meno tubazioni esposte e meno elementi ausiliari significano potenzialmente meno componenti da ispezionare e sostituire.
La vera misura del successo sarà naturalmente determinata dai dati ottenuti durante l’impiego operativo.
Un progetto molto integrato presenta infatti anche un possibile compromesso: quando una parte interna deve essere riparata, l’accesso può essere più difficile rispetto a un motore composto da numerosi sottosistemi separati.
SpaceX sembra però privilegiare un modello nel quale l’affidabilità del componente e l’efficienza della produzione riducano la necessità stessa di interventi frequenti.
La fabbrica diventa parte del progetto del motore
Il Raptor 3 mostra quindi un cambiamento importante nel modo di considerare la produzione additiva.
La stampa 3D non viene utilizzata soltanto perché consente di costruire una parte leggera o una geometria altrimenti impossibile.
Viene utilizzata per modificare l’intero sistema.
Un condotto può essere spostato all’interno del componente.
Questo permette di eliminare raccordi.
Eliminando i raccordi diminuisce il numero di possibili perdite.
La superficie esterna diventa più semplice.
Una superficie più semplice richiede meno protezioni termiche.
Eliminando le protezioni diminuiscono massa e operazioni di assemblaggio.
Il miglioramento di un processo produttivo finisce quindi per modificare l’architettura del motore e, a sua volta, quella del razzo.
È probabilmente questo il punto più interessante dell’evoluzione dal Raptor 1 al Raptor 3.
SpaceX e Velo3D mostrano quanto la tecnologia produttiva sia diventata strategica
L’accordo da 8 milioni di dollari con Velo3D rafforza ulteriormente questa interpretazione.
SpaceX non si limita ad acquistare capacità produttiva da un fornitore.
Ha ottenuto accesso a una parte della tecnologia che sta dietro alle macchine, insieme alla possibilità di modificarla per il proprio utilizzo.
Per un’azienda aerospaziale verticalmente integrata, controllare la tecnologia con cui vengono costruiti i componenti può diventare importante quasi quanto controllarne il progetto.
Il Raptor 3 rappresenta quindi molto più di una nuova generazione di motore.
Mostra come SpaceX stia collegando progettazione, materiali, manifattura additiva, test e produzione seriale in un unico processo di sviluppo.
L’aumento della spinta da 230 a 280 tonnellate-forza rispetto al Raptor 2 è facilmente misurabile. La riduzione della massa del motore da 1.630 a 1.525 kg è altrettanto evidente.
Ma il dato forse più significativo rimane il passaggio da 2.875 a 1.720 kg considerando il motore insieme all’hardware richiesto sul veicolo.
È proprio in questa riduzione della complessità complessiva che il contributo della stampa 3D metallica diventa più evidente: non produrre semplicemente componenti in modo diverso, ma permettere agli ingegneri di progettare un motore che sarebbe difficile realizzare con la stessa architettura utilizzando esclusivamente tecnologie convenzionali.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
