مع محرك الصاروخ السائل E-2 يعمل تصنيع المواد المضافة المعدنية على تحسين أداء محرك الصواريخ الحرج
لا شك في أن الأقمار الصناعية تلعب دورًا مهمًا في حياتنا. فهي لا توفر فقط معلومات حول غيوم الأرض والمحيطات والأرض والهواء (مما يسمح للعلماء بالتنبؤ بالطقس والمناخ)، ولكنها أيضًا مهمة للاتصالات اليومية وأكثر من ذلك. لكن هل تعلم أن الأقمار الصناعية آخذة في الانكماش؟ اليوم، الأقمار الصناعية أرخص في الإنتاج لأنها أخف من الإصدارات السابقة مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الإطلاق. نتيجة لذلك، تتحرك الشركات أيضًا لإنشاء صواريخ أصغر وأقل تكلفة لدعمها. واحدة من أبرزها في السوق هي Launcher.
تأسست شركة California Start-up Launcher في عام 2017 لتلبية الطلب المتزايد على الإطلاق، والذي يفوق العرض في سوق إطلاق الأقمار الصناعية (من المتوقع أن ينمو من 8 مليارات دولار إلى 38 مليار دولار في عام 2030). تجمع الشركة بين تقنية الدفع السائل والطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن لإنشاء صواريخ فعالة ونقل المركبات لتوصيل الأقمار الصناعية الصغيرة إلى المدار. والجدير بالذكر أنهم قاموا بتصميم محرك صاروخ Launcher Engine-2 (E2) منخفض التكلفة والذي تم تحسينه للإنتاج بالجملة. يهدف إلى أن يكون المحرك الصاروخي السائل الأعلى أداءً من فئته، ومن المقرر أن يكون مكون الدفع المركزي لصاروخ Launcher Light. ولتحقيق هذا التصميم المبتكر، تحول Launcher إلى Stratasys Direct Manufacturing وVelo3D’s metal technology.
نظرة فاحصة على محرك الصاروخ السائل E-2
كما ذكرنا، تم تصميم محرك الصاروخ السائل Launcher E-2 ليكون جزءًا من صواريخ Launcher عالية الأداء. يعتبر المحرك الذي تبلغ قوته 22000 رطل (قوة رطل)، الذي يتم دفعه بواسطة LOX (الأكسجين السائل) / RP-1 (الكيروسين)، المحرك الأعلى أداءً في العالم لعمليات الإطلاق الصغيرة. طابعة ثلاثية الأبعاد مطبوعة بسبيكة نحاسية، وتتميز بكفاءة احتراق بنسبة 98٪ وأداء 365 ثانية. علاوة على ذلك، بفضل توازنها العالي، يمكن أن تدور المكره لمضخة LOX بسرعة 30000 دورة في الدقيقة في ظروف التبريد الشديد أثناء نقل الأكسجين السائل.
ومع ذلك، فإن الطبيعة المبتكرة وعالية الأداء لصاروخ E-2 تعني أنه ليس من السهل تصنيعه. المضخة التور بينية، بما في ذلك دافعها، تمثل تحديًا خاصًا. أوضح Max Haut ، المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة Launcher ، صعوبة المشروع، مشيرًا إلى أنه “إذا نظرنا إلى أي محرك صاروخي سائل يمكنه الوصول إلى المدار، فإن المضخة التور بينية هي أحد أكثر أجزاء المشروع تحديًا … أو على الأقل نصف التحدي. وإذا كنت تتحدث عن مضخة تور بينية لدورة احتراق مغلقة، فإن مستوى التحدي يزداد “.
وعلى الرغم من أنه تم اختيار تصنيع الإضافات المعدنية للمشروع، إلا أن الأخطاء غير ممكنة في هذا المستوى من الأداء العالي. وعلق Haut كذلك، “أريد أن أوضح مدى أهمية هذا. نحن نتعامل مع أكسجين سائل ومكره يدور بسرعة 30000 دورة في الدقيقة لإنتاج حوالي 1 ميغاواط من الطاقة من التوربين. في هذا النوع من البيئة، عند أربعة آلاف رطل لكل بوصة مربعة من ضغط التفريغ، يمكن أن يؤدي أي شذوذ وأي فرك بين العضو الدوار والجزء الثابت إلى تفكيك فوري وسريع وغير مخطط له. ” لذلك ستكون التقنيات المبتكرة هي المفتاح.
وهكذا تحول Launcher إلى Stratasys Direct Manufacturing الذين استخدموا هم أنفسهم حل Velo3D’s Sapphire لإنشاء دافع محفز متوازن جيدًا. يعمل هذا المكون الهام على تسريع ودفع LOX إلى غرفة الاحتراق، مما يؤدي إلى زيادة تدفق السوائل والمزيد من الدفع للصاروخ. وبشكل أكثر تحديدًا، تم إنشاء المكره الخاص بـ E-2 من خلال دمج جزأين منفصلين مطبوعة ثلاثية الأبعاد، محفز ومكره، في مكون واحد متصل بشكل مشترك وفعال. كانت المادة المختارة هي INCONEL 718، وهي مادة مقاومة للتآكل مع توافق LOX لائق وقوة ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة شديدة البرودة.
لماذا تصنيع المضافات المعدنية؟
بالطبع، إذا كان بإمكان Launcher اختيار أي تقنية، فلماذا اتجهوا نحو Metal AM وبشكل أكثر تحديدًا حل Velo3D؟ حسنًا، التصنيع باستخدام المواد المضافة للمعادن، كما هو متوقع، له العديد من الفوائد خاصةً فيما يتعلق بخفض التكاليف وحرية التصميم. ومع ذلك، لن يفعل أي حل. بشكل أساسي، نظرًا لتحقيق الخصائص الضرورية، لا يمكن تصنيع الجزء باستخدام دعامات داخلية أو من خلال إمالته، مما دفع سترات سيس داركت لاختيار استخدام نظام Velo3D Sapphire® بفضل قدرته على طباعة الأجزاء بدون دعامات.
والجدير بالذكر أن القدرة على الطباعة بشكل مسطح كانت أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للفريق لأن إمالة الجزء أثناء عملية الطباعة ستمنعهم من أن يكون لديهم عنصر غزل متوازن بشكل جيد. ولكن هذا لن يكون ممكنًا مع الحلول الأخرى كما هو الحال عمومًا إذا أراد المستخدمون تجنب الدعامات الداخلية (والتي تعد ضرورية للعديد من الأشكال الهندسية المعقدة للعديد من حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية)، فيجب عليهم إمالة الجزء. ولكن هذا ليس هو الحال مع نظام Sapphire®.
كما ذكرنا سابقًا، فإن حل Velo3D فريد من نوعه في AM لحرية تصميمه، ويجسد شعار الشركة “اطبع الجزء الذي تريده وتحتاجه – دون أي تنازلات.” هذه الحرية ناتجة عن عدة عوامل، بما في ذلك حقيقة أن Velo3D يقدم حلاً
متقدمًا متكاملًا تمامًا للمعادن AM بما في ذلك برنامج إعداد الطباعة Flow ™ وبرنامج Assure ™ للتحقق من الجودة. بالإضافة إلى ذلك، فهي قادرة على طباعة زوايا منخفضة حتى درجة الصفر. كان هذا الجزء الأخير مهمًا بشكل خاص لـ Launcher لأنه يعني أنه يمكن طباعة الجزء بشكل مسطح.
بالنظر إلى أن الاضطرار إلى إمالة الجزء من شأنه أن يضر بجودته بسبب تراكم الضغط أثناء البناء، فإن هذا من شأنه أن يمنع إنشاء مكون غزل متوازن جيدًا. وفقًا لـ Stratasys Direct ، مع نظام Velo3D، كان من الممكن طباعة الدفاعات في الاتجاه المثالي مع تجنب الحاجة إلى الدعامات الداخلية التي يمكن أن تلحق الضرر أيضًا بالجزء الأخير. أوضح Andre Ivankovic ، المهندس الميكانيكي لـ Launcher ، “من خلال طباعة الجزء المسطح، حصلنا على توزيع كتلة متماثل لطيف للجزء بالنسبة لمحور الدوران المركزي هذا.”
ماذا كانت النتيجة؟
يجب أن يمر الجزء الناتج من خلال عمليات ما بعد المعالجة الشاملة والمخصصة وخطوات التحقق من الصحة قبل أن يتم الانتهاء منه. للقيام بذلك، قامت Stratasys Direct بتشكيل المكون جزئيًا لإزالة كل المسحوق من القنوات الداخلية قبل الخضوع لمعالجات حرارية معتمدة. كانت الخطوة التالية هي التأكد من أن المكره يفي بمتطلبات كثافة المواد وسلامتها قبل العمليات الحرارية.
إن الجمع بين خبرة Stratasys Direct في AM والمعالجة الثانوية الصارمة مع قدرة Velo3D على الطباعة بدون دعم ضمنت بناءات ناجحًا لجزء معقد للغاية وعملي. والاختبار حتى الآن كان ناجحًا. في الواقع، نجح Launcher مؤخرًا في اختبار محرك E-2 Turbopump لقوة الفضاء الأمريكية في حملة في مركز Stennis Space Center التابع لناسا. هناك كان فريق اختبار E-2 قادرًا على تحقيق أو تجاوز كل أهداف الطاقة والمدخلات والمخرجات والكفاءة والاهتزاز على مدار 11 اختبارًا.
المصدر: 3dnatives
إقراء ايضا:
