ブログ

Jun 19, 2023

マルチ

この記事をシェアする 過酷で容赦のない環境において、液体ロケットエンジンの高温燃焼試験には、多大な設計上の決定、複雑な製造、およびコンポーネントの統合が必要です。

この記事をシェアする

過酷で容赦のない環境での液体ロケットエンジンの高温燃焼試験には、多大な設計上の決定、複雑な製造、およびコンポーネントの統合が必要です。 物事は数ミリ秒以内に問題が起こる可能性があることを知っていると、エンジンの轟音とテストのスリルで、息をするのを忘れてしまうことがあります。 複雑で困難ではありますが、ロケット エンジンの設計プロセスでは通常、重大な問題が発生することはありません。

コンポーネントを製造して複雑なシステムに組み立てるには、統合とパフォーマンスの要件を満たすために多大な時間、コスト、およびスキルが必要です。 しかし、推進用途における積層造形 (AM) の可能性は、重要部品の航空宇宙産業全体で実証されており、以前は不可能だったロケット設計が可能になります。 AM などの最先端の技術を使用して、部品数を削減し、重量を最適化し、より複雑な部品形状を実現します。 AM は製造コンポーネントのコストとリードタイムを大幅に削減します。 また、AM を使用すると、設計、失敗、修正のサイクルが大幅に短縮され、生産に移行する前に初期のプロトタイプを開発およびテストできます。

NASA は、ロケット エンジンの性能を向上させながら、製造上の課題のいくつかを解決するという重要な役割を担っています。 ハイリスク・ハイリターンの開発の一例は、NASA のゲームチェンジング開発迅速分析および製造推進技術 (RAMPT) プロジェクトです。

RAMPT は、産業界、商業空間、学界と協力して、いくつかの AM および高度な製造プロセスを進歩および統合し、ホットファイア試験を通じてこれらを証明しました。 液体ロケット エンジンの燃焼室とノズルは、多くの金属積層造形プロセスの 1 つを使用して単一合金から製造されることがよくあります。 RAMPT は、AM 設計をさらに最適化するために、新しい合金、多合金 AM コンポーネントを実現し、いくつかの金属 AM プロセスを組み合わせることを可能にする新しい研究を検討しました。 この哲学により、チームは、新しい AM 設計と他の高度な製造複合材オーバーラップ技術を融合して、重量をさらに削減することを推進しました (図 1)。

図 1. マルチアロイ AM、大規模 LP-DED、およびロケット エンジン推力室アセンブリ (NASA) に統合された複合オーバーラップを使用した RAMPT コンセプト。

スケールは、RAMPT チームが成熟した課題の 1 つでした。 NASA は業界パートナーと協力して、レーザー粉末指向性エネルギー堆積 (LP-DED) AM プロセスを進歩させ、直径 1 メートルを超えるスケールで複雑な薄壁内部チャネル形状を実証しました。 これはチャネル冷却ノズルをターゲットにしていました。 フリーフォーム LP-DED プロセスにより、ビルド ボックスに制約されない大規模な積層造形が可能になります。 RAMPT プロジェクトは、LP-DED を利用して NASA が製造した最大の AM ノズルの 1 つをわずか 90 日で印刷しました。このノズルには 1,000 以上の内部チャネルがあり、直径 1.5 m (59 インチ)、高さ 1.8 m (72 インチ) でした (図 2)。 。 実物大の RS-25 ロケット エンジン ノズル ライナーも RAMPT プロジェクトの下で開発され、直径 2.4 m (95 インチ)、高さ 2.8 m (111 インチ) でしたが、内部チャネルは含まれていませんでした (図 2)。

図 2. 大規模な指向性エネルギー蒸着ノズル。 (左) NASA HR-1 合金を使用した直径 1.5 m、高さ 1.8 m の一体型チャンネル ノズル [NASA / RPMI]。 (右) JBK-75 合金を使用したデュアルヘッド LP-DED を使用した直径 2.4 m、高さ 2.8 m のライナー (NASA / DM3D)。

図 3. RAMPT プロジェクト (NASA) の下で開発された、さまざまなスケールの複合オーバーラップ マルチ合金およびマルチプロセス AM スラスト チャンバー。

NASA は、さまざまな AM 部品およびシステムに対して 100,000 秒を超える高温火災テストを蓄積してきました。 この経験は、NASA が AM の多くの課題と限界を理解し、AM コンポーネントの認証基準を確立するのに役立ちました。 RAMPT プロジェクトの下で技術をさらに進歩させるために、2,000 lbf (8.9 kN) および 7,000 lbf (31 kN) の統合推力チャンバーが NASA のマーシャル宇宙飛行センター (MSFC) テストスタンド 115 でホットファイアテストされました (図 4)。 L-PBF GRCop-42 チャンバーと NASA HR-1 LP-DED 一体型チャネル ノズルに関するデータを取得するために、デカップル (ボルト留め) スラスト チャンバーのテストも 35,000 lbf (156 kN) で実施されました (図 5)。 このテストでは、AM マルチ合金、複合 AM プロセス、および複合オーバーラップの課題が証明され、業界への導入に向けて学んださまざまな教訓が得られました。 今後のテストには、1,400 psi (97 bar) を超えるチャンバー圧力での完全結合 40,000 lbf (178 kN) が含まれる予定です。