Проект «Экспансия»: 3D-печать смесевого ракетного топлива
Для начала видео.
3D-печать смесевого ракетного топлива — мы сделали это. Спустя сотню экспериментов, несколько волн отчаяний и стадий принятия неизбежного. Сделали и запатентовали. И в ходе процесса не взорвались, не сгорели и даже не угорели, но последнее не точно.
Разработанная технология аддитивного производства твердотопливных зарядов (ТТЗ) из смесевого ракетного топлива (СРТ) для твердотопливного ракетного двигателя (РДТТ), методом FDM-печати включает в себя: специальный состав СРТ с требуемыми энергетическими и эксплуатационными параметрами, сам 3D-принтер послойного синтеза для печати ракетного топлива, а также несколько сопутствующих технологий.
Зачем вообще все это нужно?
Да затем, чтобы «задисраптить» ракетно-космическую отрасль, и в частности «задисраптить» твердотопливное ракетостроение, которое составляет 99,9% от всего ракетостроения, и которое ныне страдает многими недостатками (болями), присущих текущей технологии создания ТТЗ.
Во-первых, 3D-печать лишена всех недостатков современных технологий изготовления ТТЗ. Производство полимерных смесевых твердых топлив для ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) сегодня представлено литьем (вакуумным и под давлением) и прессованием через матрицу. Литью характерны все дефекты реологического характера: объемная усадка, проушины, заливы, и т.д.;, а у прессования есть строгое ограничение геометрических параметров ТТЗ и дополнительные операции в технологическом процессе, связанные с обеспечением безопасности. После литья и прессования ТТЗ, как правило, подвергается механообработке, в большинстве случаев ручной. В целом, у текущих технологий изготовления ТТЗ после процесса полимеризации и охлаждения есть немалая доля брака, связанная с растрескивание изделия. Плюс необходимость в огромной номенклатуре технологической оснастки как для формования каналов горения (профилированные иглы, многосоставные иглы, пальцы, и т.д.). так и дополнительной оснастки для обеспечения герметичности техпроцесса (вкладыши, манжеты, уплотнительные кольца), предохраняющей от попадания жидкой массы взрывоопасного топлива в элементы стыковых соединений. Также необходимо дополнительное усиление корпуса изделия из-за больших внутренних нагрузок на него во время полимеризации и охлаждения, следствием чего, является паразитная масса. Еще одним минусом является время — вместе с контрольными операциями полимеризация может отнять до полутора месяцев. 3D-печать СРТ лишена подобных недостатков.
Во-вторых, однотипность и негибкость производства ТТЗ. У каждой прикладной задачи, решаемой летательным аппаратом с РДТТ имеются свои энергетические параметры: у высокоэнергетических ракетных бустеров и метеорологических ракет различные законы изменения тяги по времени работы двигателя, поэтому для изготовления ТТЗ для бустеров свой техпроцесс, а для метеорологических ракет — свой, т. е. требуется специализация производства, со всеми вытекающими отсюда экономическими трудностями. Управление свойствами ТТЗ в каждой точке его объема с помощью 3D-печати позволяет создавать различные ТТЗ с узко настраиваемыми энергетическими характеристиками и разных габаритов на относительно небольшой производственной площади под каждую конкретную задачу.
В-третьих, в общем случае площадь поверхности горения ТТЗ:
где П (x) — периметр поверхности горения в сечении, перпендикулярном продольной оси заряда.
То есть для того, чтобы увеличить площадь поверхности горения ТТЗ, от которой зависит давление РДТТ, и как следствие, тяга, необходимо увеличить криволинейность профиля поперечного сечения ТТЗ. На рис. 1 показан ТТЗ со сложным профилем, напечатанный на нашем 3D-принтере.
Существующие технологии производства твердотопливного заряда (ТТЗ) ограниченны в создании сложно профилированных ТТЗ, что ограничивает энергетические характеристики РДТТ. Для усложнения криволинейности профиля поперечного сечения ТТЗ необходима широкая линейка технологической оснастки.
Еще на заре космонавтики, инженеры разработали ряд сложных форм ТТЗ (Рис. 2), но технологически могли их реализовать только как экспериментальные образцы. Поэтому, в силу относительной простоты изготовления, самым распространенным видом профиля поперечного сечения для заряда РДТТ на сегодняшний день является полый цилиндр с круглым отверстием по центру, характерным примером которого является твердотопливный ускоритель Space Shuttle System (рис. 1). К слову, даже с такой простой геометрией канала горения, «боковушка» Space Shuttle является самым мощным ракетным двигателем в истории человечества. А что будет если сделать в таком же форм-факторе чуть более сложный профиль с помощью 3D-печати?
Рис. 1 — Пример сложного профиля ТТЗ, напечатанного на нашем 3D-принтере
Рис. 2 — Зависимость профилей тяги от кривизны канала горения ТТЗ
Рис. 1 — «Боковушка» Space Shuttle
В-четвертых, 3D-печать сама по себе технология максимально роботизированная. Для 3D-печати нет необходимости в большом количестве рабочих для того, чтобы собирать/разбирать многочисленные технологические штыри, иглы и оправки; отмывать бак смешения; обрезать лишнее топливо, и т.д. Следовательно, эта технология намного безопаснее. Уровень ручного труда при литье топлива можно оценить по этому прекрасному видео.
В-пятых, аддитивные технологии производства позволяют цифровизировать техпроцесс изготовления ТТЗ, что позволит в свою очередь, впервые внедрить адаптивные бизнес-процессы третье волны в ракетно-космическую отрасль.
Само по себе управление сопряжением каждой точки объема ТТЗ путем послойного синтеза делает возможным и экономически оправданным широкое применение технологии «цифрового двойника», элементов IoT и машинное обучение для качественного улучшения производственного процесса.
Особое внимание в нашем проекте было уделено безопасности. В проектировании заложено множество технических решений, обеспечивающих безопасность техпроцесса: от модификации состава топлива и до бронекапсулы для немногочисленного персонала, контролирующего печать.
Таковы основные преимущества технологии аддитивного производства ТТЗ из смесевого ракетного топлива.
Конечно же, не мы одни разглядели все эти преимущества данной технологии. Помимо нашего скромной проекта над этой технологией, судя по открытым источникам, работают в США, Великобритании, Нидерландах и Китае.
В США этим занимается несколько крупных научно-исследовательских институтов, например, Институт горения, корпорация «Raytheon Technologies», а также ряд технологических стартапов разного уровня, некоторые из которых работают по заказу DARPA, чьи видимые результаты пока засекречены.
Зато свои результаты открыто всем демонстрирует стартап, который печатает пластиковое топливо для гибридных ракетных двигателей (ГРД). За счет 3D-печати они улучшили энергетические показатели ГРД.
В целом, у американцев данная технология развивается, как минимум, по двум оборонным контрактам: первая концепция доставка полезной нагрузки on-demand в предельно короткие сроки на заданную орбиту, а вторая — концепция, которую они называют «ROCKET FACTORY IN-A-BOX», а согласно нашему проекту «Экспансия» — Автономный Ракетный Завод (АРЗ), о чем я напишу в отдельной статье — о том, как технология 3D-печати радикально трансформирует текущий технологический уклад, сложившийся в ракетно-космической отрасли, и в частности как аддитивное производство ракетного топлива изменит поле боя (если редакция «Хабра» даст добро на такую тему).
Рис. 4 — Для сравнения точности печати слева приведен ТТЗ, напечатанный в голландском НИИ, справа — наш
Дальнейшее развитие проекта «Экспансия»
В среднесрочном планировании разработка и создание 3D-принтера для печати крупногабаритных ТТЗ на базе строительного 3D-принтера для метеорологической и суборбитальной ракет.
Рынок пусковых услуг малых КА — отличное место для первого этапа экспансии. Преимущества твердого ракетного топлива, напечатанного на 3D-принтере позволит отказаться от жидкостных ракет-носителей, что радикальным образом удешевит запуски пико/нано-спутников.
Текущая стадия проекта — это поиск путей развития и масштабирование.
