Microlaunchers är ett alternativ till konventionella lanseringsfordon. Kan bära nyttolast på upp till 350 kilo, dessa medelstora transportsystem är utformade för att skjuta upp små satelliter i rymden. Forskare vid Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS i Dresden och TU Dresdens flyg- och rymdsexperter utvecklade en additivt tillverkad raketmotor med ett aerospike -munstycke för mikrolunchare. Den skalade metallprototypen förväntas konsumera 30 procent mindre bränsle än konventionella motorer. Det kommer att bli framträdande på Hannover Messe Preview den 12 februari och i utställningen på monter C18 i hall 16 på Hannover Messe från 20 till 24 april, 2020.

Marknaden för små satelliter kommer säkert att blomstra under de kommande åren. Storbritannien siktar på att bygga en rymdhamn i norra Skottland, den första på europeisk mark. Federation of German Industries (BDI) har också ställt sig bakom idén om en nationell rymdport. Det ska fungera som kudde för små till medelstora skjutplaner som drar forskningsinstrument och små satelliter ut i rymden. Dessa mikrolösare är konstruerade för att bära en nyttolast på upp till 350 kilo. Aerospike -motorer är ett effektivt sätt att driva dessa mikrolösare. De erbjuder välkomna utsikter till mycket mindre massa och mycket lägre bränsleförbrukning. Ett forskargrupp från Fraunhofer IWS och TU Dresdens Institute of Aerospace Engineering utvecklade, tillverkat och testat en aerospike -motor under de senaste två åren. Det tyska federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF) finansierade projektet. Det som skiljer denna aerospike -motor från andra är att dess bränsleinsprutare, förbränningskammare och munstycke trycks lager för lager i en additiv tillverkningsprocess som kallas laserpulverbäddssmältning (L-PBF). Munstycket består av en spikliknande mittkropp utformad för att accelerera förbränningsgaser.

"Tekniken bakom aerospike -motorer går tillbaka till 1960 -talet. Men vår förmåga att producera så effektiva motorer som detta beror på den frihet som additiv tillverkning medför och dess inbäddning i konventionella processkedjor, "säger Michael Müller, vetenskaplig assistent vid Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), som drivs gemensamt av Fraunhofer IWS och TU Dresden. Aerospike -raketmotorer lovar bränslebesparingar på cirka 30 procent jämfört med konventionella raketer. De är också mer kompakta än konventionella system, vilket minskar det totala systemets massa. "Varje sparat gram är guld värt i rymdflygning eftersom mindre bränsle måste tas i omloppsbana. Ju tyngre det övergripande systemet, ju lättare dess nyttolast måste vara, "säger Mirco Riede, gruppchef 3D-tillverkning på Fraunhofer IWS och kollega till Michael Müller. Aerospike -munstycket som utvecklats av Fraunhofer IWS och TU Dresden anpassar sig bättre till det förändrade trycket på resan från jorden till bana. Detta gör det mer effektivt, så det bränner mindre bränsle än konventionella motorer.

Ett extra tillverkat munstycke med konform kylning

"Vi valde ett additivt sätt att tillverka metallraketen eftersom motorn kräver mycket bra kylning och behöver interna kylkanaler. Detta komplexa regenerativa kylsystem med labyrintiska inre kanaler kan inte fräsas eller gjutas på konventionellt sätt, "säger Riede. Applicerat lager för lager, pulvret smälts sedan. Denna selektiva lasersmältning bygger gradvis en komponent med en millimeter breda kylkanaler som följer förbränningskammarens konturer. Kvarvarande pulver i kanalerna dammsugas sedan ut. Denna metall måste klara hårda krav, förblir fast vid höga temperaturer och leder värme väl för att säkerställa optimal kylning. "Temperaturer på flera tusen grader Celsius råder i förbränningskammaren, så detta kräver aktiv kylning, säger Müller.

Forskare vid Fraunhofer IWS och TU Dresden letar efter injektionssystemet för att ytterligare öka motoreffektiviteten. Kallas CFDμSAT, detta projekt har pågått sedan januari 2020 där Ariane Group och Siemens AG deltar som associerade partners. Injektorer utgör stora design- och tillverkningsutmaningar. "Bränslen tjänar först till att kyla motorn. De värms upp och induceras sedan i förbränningskammaren. Flytande syre och etanol tillsätts separat för att blandas via en injektor. Den resulterande gasblandningen antänds. Den expanderar i förbränningskammaren och sedan rinner genom ett gap i förbränningskammaren för att dekomprimeras och accelereras av munstycket, "konstaterar Müller, förklarar hur denna motor producerar dragkraft.

Test av hett eldmotor

De Dresdenbaserade forskarna har redan testat prototypen för aerospike-motorn i en testcell vid TU Dresdens Institute of Aerospace Engineering, uppnår en brinntid på 30 sekunder. "Denna process är speciell eftersom det har funnits få få prejudikat för aerospikemunstycktester. Vi har bevisat att en fungerande vätskedrivande jetmotor kan produceras genom additiv tillverkning, säger Müller.

Detta projekt är ett exempel på det nära samarbetet mellan TU Dresden och icke-universitetliga forskningsinstitut inom ett vetenskapskluster som kallas DRESDEN-konceptet. TU Dresden ansvarar för motorns design och layout; Fraunhofer IWS för tillverkning och materialvalidering. Deras första steg var att anpassa designen till den additiva tillverkningsprocessen. Forskarna valde och karaktäriserade sedan materialet. Nästa, de producerade motorns två komponenter med L-PBF-metoden och omarbetade deras funktionella ytor. Komponenterna förenades med lasersvetsning och en datortomografisk skanner inspekterad för porer och andra defekter. Denna icke-destruktiva utvärdering kan också avgöra om sintrat pulver hindrar kylkanalerna. Detta projekt visar hur AM -processer kan integreras i dagens processkedjor på ett produktivt sätt inom alla branscher för att avancera den senaste tekniken inom tillverkning.