Die NASA hat kürzlich eine additiv gefertigte – oder 3D-gedruckte – Raketentriebwerksdüse aus Aluminium gebaut und getestet, die sie leichter als herkömmliche Düsen macht und die Weichen für Weltraumflüge stellt, die mehr Nutzlasten befördern können.
Im Rahmen der Ankündigung der Agentur zur Zusammenarbeit haben Ingenieure des Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, mit Elementum 3D in Erie, Colorado, zusammengearbeitet, um eine schweißbare Art von Aluminium zu entwickeln, das hitzebeständig genug für den Einsatz in Raketentriebwerken ist. Im Vergleich zu anderen Metallen weist Aluminium eine geringere Dichte auf und ermöglicht hochfeste, leichte Komponenten.
Aufgrund seiner geringen Toleranz gegenüber extremer Hitze und seiner Neigung zur Rissbildung beim Schweißen wird Aluminium jedoch bislang nicht typischerweise für die additive Fertigung von Raketentriebwerksteilen verwendet.
Lernen Sie die neueste Entwicklung der NASA im Rahmen des Projekts Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution (RAMFIRE) kennen. RAMFIRE konzentriert sich auf die Weiterentwicklung leichter, additiv gefertigter Raketendüsen aus Aluminium. Die Düsen sind mit kleinen Innenkanälen ausgestattet, die die Düse kühl genug halten, um ein Schmelzen zu verhindern.
Bei herkömmlichen Fertigungsmethoden kann eine Düse bis zu tausend einzeln zusammengefügte Teile erfordern. Die RAMFIRE-Düse ist aus einem Stück gefertigt, wodurch weitaus weniger Verbindungen erforderlich sind und die Herstellungszeit erheblich verkürzt wird.
Bildnachweis: NASA
Die NASA und Elementum 3D entwickelten zunächst die neuartige Aluminiumvariante A6061-RAM2, um die Düse zu bauen und das verwendete Pulver mit der LP-DED-Technologie (Laser Powder Directed Energy Deposition) zu modifizieren. Ein weiterer Handelspartner, RPM Innovations (RPMI) in Rapid City, South Dakota, nutzte das neu erfundene Aluminium und Spezialpulver, um die RAMFIRE-Düsen mithilfe seines LP-DED-Verfahrens zu bauen.
„Branchenpartnerschaften mit Spezialfertigungsanbietern tragen dazu bei, die Lieferbasis zu erweitern und die additive Fertigung für NASA-Missionen und die breitere kommerzielle Industrie sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie zugänglicher zu machen“, sagte Paul Gradl, RAMFIRE-Hauptforscher bei NASA Marshall.
Die Mond-Mars-Ziele der NASA erfordern die Fähigkeit, mehr Fracht zu Zielen im Weltraum zu befördern. Die neuartige Legierung könnte dabei einen entscheidenden Beitrag leisten, indem sie die Herstellung leichter Raketenkomponenten ermöglicht, die hohen strukturellen Belastungen standhalten.
„Masse ist für zukünftige Weltraummissionen der NASA von entscheidender Bedeutung“, sagte John Vickers, Cheftechnologe für STMD Advanced Manufacturing. „Projekte wie dieses reifen additive Fertigung zusammen mit fortschrittlichen Materialien und werden dazu beitragen, neue Antriebssysteme, Fertigung im Weltraum und Infrastruktur zu entwickeln, die für die ehrgeizigen Missionen der NASA zum Mond, zum Mars und darüber hinaus benötigt werden.“
Anfang des Sommers absolvierten zwei RAMFIRE-Düsen auf Marshalls East Test Area mehrere Heißfeuertests mit Flüssigsauerstoff und Flüssigwasserstoff sowie Flüssigsauerstoff- und Flüssigmethan-Brennstoffkonfigurationen. Mit Druckkammern von mehr als 825 Pfund pro Quadratzoll (psi) – mehr als erwartete Testdrücke – konnten die Düsen 22 Starts und 579 Sekunden oder fast 10 Minuten Laufzeit erfolgreich absolvieren. Diese Veranstaltung zeigt, dass die Düsen in den anspruchsvollsten Weltraumumgebungen eingesetzt werden können.
„Diese Testreihe markiert einen bedeutenden Meilenstein für die Düse“, sagte Gradl. „Nachdem wir die Düse einer anspruchsvollen Testreihe mit heißem Feuer unterzogen haben, haben wir gezeigt, dass die Düse den thermischen, strukturellen und Druckbelastungen eines Mondlandemotors standhalten kann.“
Zusätzlich zum erfolgreichen Bau und Test der Raketentriebwerksdüsen hat das RAMFIRE-Projekt das RAMFIRE-Aluminiummaterial und den additiven Herstellungsprozess genutzt, um weitere fortschrittliche große Komponenten zu Demonstrationszwecken zu konstruieren. Dazu gehören eine Aerospike-Düse mit 36 Zoll Durchmesser und komplexen integrierten Kühlmittelkanälen sowie ein vakuumummantelter Tank für Anwendungen mit kryogenen Flüssigkeiten.
Die NASA und Industriepartner arbeiten daran, die Daten und Prozesse mit kommerziellen Interessengruppen und der Wissenschaft zu teilen. Verschiedene Luft- und Raumfahrtunternehmen evaluieren die neuartige Legierung und das additive Fertigungsverfahren LP-DED und suchen nach Möglichkeiten, diese zur Herstellung von Komponenten für Satelliten und andere Anwendungen einzusetzen.