Motore Slinky stampato in 3D: 5,4 kN di spinta al Race2Space
Un progetto universitario diventa un vero motore a razzo a propellente liquido
Un gruppo di studenti della University of Melbourne ha progettato e portato al banco prova un motore a razzo a propellente liquido realizzato con un contributo determinante della produzione additiva metallica. Il propulsore, chiamato Slinky, ha raggiunto una spinta massima di 5,4 kilonewton durante una serie di test effettuati nel Regno Unito nell’ambito della competizione internazionale Race2Space.
Il progetto è stato sviluppato all’interno della Aerospace and Rocket Engineering Society, ARES, della University of Melbourne e ha coinvolto gli studenti di master in ingegneria aerospaziale e meccanica Jack Gardiner, Brooke Doolan e Stuart Davis.
Alla progettazione universitaria si è affiancato il supporto di CSIRO, l’agenzia scientifica nazionale australiana, attraverso il centro Lab22 di Clayton, nello Stato di Victoria. Lab22 è specializzato nella produzione additiva metallica e ha messo a disposizione competenze nella selezione dei materiali, nella progettazione per additive manufacturing, nel comportamento meccanico dei componenti e nelle attività di post-processing.
Il risultato è un motore di circa sei chilogrammi che utilizza una camera di combustione con sistemi di raffreddamento integrati direttamente nelle pareti, una soluzione resa possibile dalla stampa 3D metallica.
Il dato corretto è 5,4 kN di spinta
Il risultato principale ottenuto al Race2Space è una spinta massima di 5,4 kN, cioè 5.400 newton.
Non si tratta quindi di 54 kN, ma di 5,4 kN. La differenza è importante per collocare correttamente il motore nella sua categoria.
La spinta raggiunta non è paragonabile a quella dei grandi motori utilizzati nei primi stadi dei lanciatori orbitali, ma costituisce un valore significativo per un progetto universitario sviluppato da un gruppo ristretto di studenti e destinato alla sperimentazione di tecnologie di propulsione.
Secondo CSIRO, il livello di spinta può essere confrontato, come ordine di grandezza, con quello di alcuni piccoli sistemi propulsivi destinati a veicoli di atterraggio spaziale.
Più del valore massimo isolato, tuttavia, è importante osservare il comportamento dimostrato dal motore durante l’intera campagna di prova.
Cinque hot-fire stabili nello stesso giorno
Slinky ha completato cinque accensioni a caldo stabili durante una sola giornata di test.
Un hot-fire è una prova nella quale il sistema propulsivo viene alimentato con i propri propellenti e acceso mentre rimane vincolato a una struttura di prova. Sensori e sistemi di acquisizione permettono di misurare pressione, spinta, temperature e altri parametri senza effettuare un volo.
Gli studenti non hanno quindi verificato soltanto la possibilità di accendere il motore una volta.
La ripetizione di cinque test consente di raccogliere informazioni sul comportamento del sistema dopo più cicli termici, sulla capacità di riaccensione e sulla stabilità della combustione.
Alcune prove hanno incluso anche variazioni della potenza del motore. Il team ha quindi sperimentato condizioni di funzionamento differenti prima di raggiungere il valore massimo di 5,4 kN.
I risultati hanno permesso alla University of Melbourne di conquistare la categoria dedicata ai motori LOX bipropellant del Race2Space.
Un motore bipropellente con ossigeno liquido
Slinky appartiene alla categoria dei motori a propellente liquido bipropellente.
Questo significa che ossidante e combustibile vengono conservati separatamente e successivamente inviati all’iniettore e alla camera di combustione.
La categoria nella quale il motore ha gareggiato utilizza LOX, Liquid Oxygen, cioè ossigeno liquido, come ossidante.
Il carburante specifico impiegato da Slinky non è stato dettagliato nelle informazioni pubblicate da CSIRO, ed è quindi opportuno non attribuire al motore una combinazione di propellenti non confermata.
L’impiego di fluidi criogenici e sistemi di alimentazione ad alta pressione introduce comunque problematiche molto diverse rispetto a quelle di un comune motore a propellente solido.
Serbatoi, valvole, condotti, iniettori e camera devono lavorare come un sistema coordinato, mentre la sequenza di apertura delle valvole e accensione deve essere controllata con precisione.
Il problema centrale è la gestione del calore
All’interno di un motore a razzo la temperatura della combustione può superare rapidamente i limiti sopportabili dai materiali della camera.
Una delle difficoltà progettuali principali consiste quindi nell’evitare che la parete esposta ai gas caldi raggiunga temperature tali da perdere resistenza, deformarsi o danneggiarsi.
Slinky utilizza un sistema di raffreddamento rigenerativo.
In questa configurazione uno dei propellenti viene fatto passare attraverso piccoli canali realizzati nella parete della camera prima di raggiungere la zona nella quale verrà iniettato e bruciato.
Il liquido sottrae calore alla struttura e, contemporaneamente, viene preriscaldato.
Il sistema trasforma quindi una parte della parete della camera di combustione in uno scambiatore di calore.
È una tecnica utilizzata anche in numerosi motori professionali, ma realizzarla richiede geometrie interne complesse e canali sufficientemente piccoli e regolari da distribuire il raffreddamento nelle zone sottoposte al flusso termico più elevato.
La stampa 3D permette di costruire i canali all’interno della camera
È in questo punto che la produzione additiva assume un ruolo centrale nel progetto della University of Melbourne e di CSIRO Lab22.
In una costruzione tradizionale il raffreddamento può richiedere tubazioni, lavorazioni meccaniche multiple, elementi saldati o altre soluzioni necessarie per creare i passaggi del refrigerante intorno alla camera.
Con la produzione additiva è invece possibile costruire parte dei canali direttamente all’interno della parete mentre il componente viene prodotto.
Le geometrie che trasportano il liquido non devono quindi essere necessariamente raggiungibili da una fresa o da un utensile.
Questo consente ai progettisti di seguire più liberamente la forma della camera e distribuire i canali nelle aree nelle quali il carico termico lo richiede.
La riduzione del numero di componenti separati può anche diminuire il numero di saldature e connessioni presenti nel sistema.
Non significa che la produzione diventi semplice: la realizzazione di piccoli canali interni comporta problemi di rimozione della polvere, rugosità, tolleranze, controllo dimensionale e verifica della continuità dei passaggi.
Per questo il contributo di un centro specializzato come Lab22 non si limita alla fase di stampa.
Una camera realizzata in lega di rame
Per Slinky è stata selezionata una lega di rame.
La scelta è legata soprattutto alla capacità del rame e delle sue leghe di trasferire rapidamente il calore.
In una camera raffreddata rigenerativamente, un’elevata conducibilità termica aiuta a trasferire energia dalla superficie interna, esposta alla combustione, verso il propellente che circola nei canali.
CSIRO ha indicato la conducibilità termica e la capacità di lavorare in condizioni caratterizzate da elevati flussi termici come motivazioni principali della scelta.
La stampa 3D delle leghe di rame presenta però difficoltà specifiche.
Il materiale riflette una quota elevata dell’energia proveniente dal laser e trasferisce rapidamente il calore lontano dalla zona di fusione. Ottenere una densità adeguata e una microstruttura controllata richiede quindi parametri di processo studiati per il materiale impiegato.
È uno dei motivi per cui l’accesso a impianti industriali e personale specializzato diventa particolarmente importante in un progetto di questo tipo.
La produzione è stata eseguita con una Nikon SLM Solutions 280 2MA
CSIRO ha prodotto il componente utilizzando il sistema Nikon SLM Solutions 280 2MA installato presso Lab22 a Clayton.
La macchina utilizza un processo appartenente alla famiglia Laser Powder Bed Fusion, o LPBF.
Uno strato sottile di polvere metallica viene distribuito sulla piattaforma di costruzione. Un laser fonde selettivamente le aree corrispondenti alla sezione digitale del componente. La piattaforma viene quindi abbassata e viene steso un nuovo strato.
Ripetendo il processo centinaia o migliaia di volte è possibile costruire geometrie tridimensionali con strutture interne che sarebbero difficili o impossibili da ottenere con lavorazioni sottrattive convenzionali.
L’impianto presente presso CSIRO Lab22 è stato sostenuto anche attraverso il programma australiano iLAuNCH Trailblazer, dedicato allo sviluppo di tecnologie e capacità produttive per il settore spaziale.
La piattaforma SLM 280 disponibile presso Lab22 possiede inoltre capacità di produzione multimateriale. Nel caso specifico di Slinky, le informazioni diffuse descrivono però la camera come realizzata in una lega di rame e non come un componente multimateriale.
Il ruolo di CSIRO va oltre la semplice stampa del pezzo
Il rapporto tra la University of Melbourne e CSIRO è stato impostato come una collaborazione ingegneristica.
Gli specialisti di Lab22 hanno fornito indicazioni sulla scelta del materiale, sul comportamento meccanico, sulla progettazione orientata alla produzione additiva e sui trattamenti successivi alla stampa.
Quest’ultimo aspetto è particolarmente importante nella produzione additiva metallica.
L’uscita del componente dalla camera della stampante non rappresenta necessariamente la fine del processo. Possono essere necessarie operazioni di rimozione della polvere, separazione dalla piattaforma di costruzione, trattamento termico, lavorazione delle superfici di accoppiamento e controlli dimensionali.
Per un componente destinato a sopportare pressioni, gradienti termici e combustione, il controllo delle caratteristiche finali assume un peso ancora maggiore.
Il banco prova di Airborne Engineering
Per la competizione nel Regno Unito il motore è stato montato su una struttura di spinta in acciaio saldato progettata per collegarsi alle infrastrutture di prova di Airborne Engineering Ltd.
Airborne Engineering dispone di impianti dedicati alla sperimentazione di sistemi di propulsione e collabora con il programma Race2Space per permettere ai gruppi universitari di eseguire test di accensione in strutture attrezzate.
Il banco prova deve assorbire la spinta prodotta dal motore e contemporaneamente consentire il passaggio delle linee di alimentazione, dei sistemi elettrici e dei sensori.
Durante un hot-fire il motore rimane quindi fisso mentre la struttura misura le forze e permette agli operatori di controllare il funzionamento da una posizione protetta.
Race2Space porta gli studenti dalla simulazione alla combustione reale
Il Race2Space nasce con l’obiettivo di fornire agli studenti un’esperienza pratica nello sviluppo di sistemi di propulsione.
La progettazione di un motore non termina infatti con un modello CAD o con una simulazione CFD.
Un sistema reale deve essere costruibile, assemblabile, alimentabile e controllabile. Deve inoltre sopportare vibrazioni, pressioni elevate, transitori termici e possibili variazioni tra un’accensione e quella successiva.
Per i gruppi universitari, l’accesso a una struttura nella quale sia possibile eseguire veri hot-fire rappresenta quindi una parte essenziale del percorso formativo.
L’edizione 2026 del Race2Space ha coinvolto numerosi gruppi universitari internazionali e un programma esteso di prove di propulsione.
Per la University of Melbourne, il risultato ottenuto con Slinky rappresenta anche il primo successo di un team studentesco australiano con un motore liquido bipropellente raffreddato rigenerativamente acceso al Race2Space.
Il progetto ARES comprende anche altri sistemi propulsivi
Slinky non rappresenta l’unica attività nel campo della propulsione portata avanti da ARES.
La Aerospace and Rocket Engineering Society della University of Melbourne comprende diversi gruppi dedicati ad aerostrutture, propulsione, avionica e agli altri sottosistemi necessari per sviluppare un razzo completo.
Il team Propulsion lavora anche su banchi prova, sistemi di acquisizione dati, impianti fluidici e motori ibridi.
È importante distinguere questi programmi da Slinky.
Il motore protagonista dei test al Race2Space è un sistema liquido bipropellente nato come Capstone Project, mentre ARES sta portando avanti parallelamente lo sviluppo di un motore ibrido destinato a un futuro veicolo progettato dagli studenti.
Le competenze acquisite con Slinky possono però avere valore per altri programmi: progettazione termofluidodinamica, sensoristica, infrastrutture di test, gestione dei propellenti e procedure di sicurezza costituiscono conoscenze trasferibili a progetti successivi.
Lab22 come infrastruttura per la produzione additiva australiana
Anche il ruolo di CSIRO Lab22 va oltre questo singolo motore.
Il centro opera dal 2015 con l’obiettivo di aumentare l’utilizzo industriale della produzione additiva metallica in Australia.
Le tecnologie disponibili comprendono sistemi a letto di polvere, processi laser, cold spray, binder jetting e sistemi robotizzati destinati alla deposizione di materiale.
CSIRO collabora con università e aziende in settori che comprendono spazio, aerospazio, difesa, biomedicale e produzione industriale.
La presenza della Nikon SLM Solutions 280 si inserisce quindi in una strategia più ampia destinata a creare nel Paese capacità di progettazione e produzione di componenti ad alte prestazioni.
Nel settore spaziale questo è particolarmente importante perché camere di combustione, scambiatori di calore, iniettori e strutture leggere sono tra i componenti nei quali la libertà geometrica della produzione additiva può offrire vantaggi concreti.
Cinque accensioni contano più di una singola fotografia con la fiamma
Le immagini di un motore acceso sono la parte più evidente di una campagna di test, ma dal punto di vista ingegneristico il risultato interessante è rappresentato dai dati raccolti.
Cinque hot-fire stabili indicano che il sistema ha potuto essere riutilizzato più volte nel corso della stessa giornata.
Le prove con variazione della spinta aggiungono inoltre informazioni sul comportamento del sistema al di fuori di un singolo punto operativo.
Per trasformare un dimostratore in un propulsore destinato al volo sarebbe comunque necessario un percorso più ampio.
Durata delle accensioni, margini di raffreddamento, resistenza ai cicli termici, caratteristiche dei materiali, ripetibilità della produzione, vibrazioni, sistemi di alimentazione e affidabilità delle valvole sono soltanto alcuni degli aspetti che devono essere analizzati prima di installare un motore su un veicolo.
Il gruppo della University of Melbourne ha espresso l’intenzione di utilizzare l’esperienza maturata con Slinky per sviluppare sistemi di propulsione più complessi e ha indicato come possibile obiettivo futuro l’integrazione del motore in un razzo.
Un caso concreto di additive manufacturing applicato alla propulsione
Il valore tecnico di Slinky non deriva quindi soltanto dal fatto che un componente sia stato “stampato in 3D”.
L’aspetto più interessante è il modo in cui la produzione additiva è stata utilizzata per risolvere un problema funzionale.
I microcanali presenti nelle pareti della camera permettono al propellente di partecipare al raffreddamento del motore prima della combustione. La lega di rame favorisce il trasferimento termico, mentre il processo LPBF consente di produrre geometrie interne difficilmente ottenibili con una sequenza tradizionale di lavorazioni.
La collaborazione tra University of Melbourne, ARES, CSIRO Lab22, Nikon SLM Solutions, il programma iLAuNCH Trailblazer e le strutture di prova di Airborne Engineering Ltd dimostra inoltre quanto un progetto universitario di propulsione richieda competenze che vanno dalla modellazione numerica fino alla metallurgia e alle procedure di test.
Il risultato ottenuto al Race2Space offre agli studenti dati reali sui quali lavorare e fornisce a CSIRO un ulteriore caso applicativo della produzione additiva metallica in ambienti ad alto flusso termico.
Il prossimo passaggio non consiste semplicemente nell’aumentare il valore di spinta, ma nel trasformare ciò che è stato dimostrato al banco prova in un sistema sempre più controllabile, ripetibile e adatto a campagne di funzionamento più impegnative.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
