¿Se podría utilizar la impresión 3D para lograr una geometría de grano perfecta de motores de cohetes sólidos e híbridos?

Los núcleos sólidos, ya sea para motores de cohetes híbridos o de combustible sólido, utilizan varias geometrías de grano propulsor para lograr la curva de empuje necesaria. Por ejemplo, algunos de estos podrían verse como:

           ^{Secciones transversales comunes de núcleos de propelente sólido de geometrías de grano, incluidos orificios circulares, finocyl y no circulares.}

Y hay otros perfiles en uso, como la ranura en C (corte de cuña en el costado del núcleo), quemador lunar (orificio circular descentrado), etc.

Pero todos estos son en realidad orificios bidimensionales, y me parece razonable que tales etapas de combustible sólido puedan beneficiarse de una geometría de grano tridimensional. Dependiendo de la mezcla de combustible y propulsor utilizada (y con las etapas de cohetes híbridos que usan combustibles sólidos), algunos de los comunes parecen lo suficientemente adhesivos como para permitir que las técnicas de fabricación aditiva (también conocida como impresión 3D) impriman simplemente una geometría de grano perfecta necesaria para la confianza/ perfil de quemado

Por ejemplo, el perclorato de amonio (NH ₄ ClO ₄ o AP) o el óxido nitroso (NO) son poderosos oxidantes que a menudo se usan junto con grupos de polibutadieno ((C ₄ H ₆ ) _n , o PB) en mezclas HTPB o PBAN , junto con polvo de aluminio (Al) y agentes de curado para formar un grano propulsor sólido bastante homogéneo y adhesivo, y con cohetes híbridos, los núcleos sólidos que parecen ser considerados más recientemente usan cera de parafina. Todas estas sustancias deberían ser bastante fáciles de imprimir en 3D, y posiblemente incluso podrían permitir un control de grano fino sobre la mezcla de componentes de combustible, oxidante, aglutinante/curativo y catalizador.

Solo para ampliar un poco lo que tenía en mente, la fabricación aditiva con cera de parafina es perfectamente factible ya que el material permite la manipulación térmica de su fase líquida a sólida sin desestabilizar químicamente la química del combustible y degradar su rendimiento. Aquí hay un ejemplo de una pieza compleja hecha con impresión aditiva de parafina por la impresora de cera SLS :

                                  ^{Engranaje de rueda dentada de cera sólida (fuente: Wiki de la impresora de cera RepRap SLS )}

Puede que no sea la impresión más detallada de la historia, pero permitiría una geometría de grano avanzada y aumentaría potencialmente el rendimiento de los motores de cohetes híbridos una vez que se agote el combustible y cambie la geometría de la ruta del oxidante, como se ha demostrado que es un problema, por ejemplo, en High Motor híbrido de etapa superior de alto rendimiento (PDF).

No estoy muy seguro de que la manipulación térmica pueda usarse hasta tal punto para grano de motor sólido no híbrido donde el oxidante ya es un componente de la mezcla, pero a juzgar por la degradación térmica de poliacrilonitrilo, polibutadieno y copolímeros de butadieno con acrilonitrilo y estireno (PDF), el PB parece ser térmicamente estable sin degradarse más allá de su punto de evaporación a aproximadamente 407 °C. El punto de fusión de AP es de 240 °C y el punto de fusión del polvo de aluminio es de 660,4 °C ( fuente ).

Por supuesto, la manipulación térmica requerida para la fabricación aditiva podría limitarse a temperaturas que no degraden el grano y simplemente (re)activen sus propiedades adhesivas antes de que se apliquen los agentes de curado y la capa se enfríe hasta convertirse en un sólido. Y dudo que se requiera impresión aditiva de alta precisión a altas temperaturas para seguir beneficiándose de una geometría de grano 3D más compleja que las geometrías 2D y/o 3D simples mediante el apilamiento de secciones una encima de la otra. Sin embargo, esto podría ser especialmente útil para la geometría de grano de combustible sólido en motores híbridos.

Así que aquí está mi pregunta:

¿Alguien ya ha considerado usar técnicas de fabricación aditiva de última generación para imprimir en 3D propulsores de núcleo sólido en lugar de moldearlos o taladrar perfiles bidimensionales simples en ellos?

Si es así :

• qué beneficios de rendimiento podrían esperarse de los núcleos sólidos/híbridos impresos en 3D,
• hasta dónde han progresado tales técnicas, y
• ¿Quién los está desarrollando?

Si no :

• qué desafíos deben resolverse para permitir la fabricación de núcleos sólidos impresos en 3D
• ¿Qué geometrías de grano podrían considerarse primero (panal de abeja, burbuja, hélice, pétalo, mezclas de propulsores no homogéneas,...) que no se pueden lograr utilizando técnicas simples de geometría de grano 2D (fundición, perforación,...)?