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 :
Si no :
Intente ver la investigación realizada en The Aerospace Corporation, Penn State y Utah State. Resulta que hay muy buenas razones para imprimir el combustible a los híbridos. Agregar una tercera dimensión, más allá de las imágenes anteriores, de formas de grano estándar puede causar una mayor mezcla de oxidante y combustible, lo que aumenta la Isp. La tasa de regresión aumentó significativamente en las pruebas en ambas universidades. Imagine la imagen n.º 3 de arriba, donde la estrella se desplaza a través de una hélice, en lugar de hacer una extrusión recta.
Aquí hay algunos enlaces...
Primera descripción de granos impresos... http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2011-5821
Comparación de USU de ABS con HTPB... http://enu.kz/repository/2011/AIAA-2011-5909.pdf
USU muestra mayor tasa de regresión... http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2014-3751
PSU muestra una mayor tasa de regresión en acrílico http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2013-4141
Una búsqueda rápida no arroja ningún proyecto en esta dirección. Eso no quiere decir que nadie haya pensado en ello, por supuesto.
Se me ocurren algunos posibles problemas:
Ha habido esfuerzos para imprimir concreto. Esto tiene problemas similares (tiempo de curado, tamaño de las estructuras de hormigón).
Hay impresoras que pueden imprimir cera, estas impresiones se utilizan a menudo para la fundición a la cera perdida de, por ejemplo , plata . Sin embargo, no he podido encontrar especificaciones de materiales para la cera que usan.
En primer lugar, la inyección de aglomerante es la tecnología de impresión 3D más apropiada para módulos de combustible sólido, lo que permite estructuras 3D complicadas sin calor adicional. El propulsor, debidamente pulverizado, se depositaría en capas delgadas sobre la capa anterior, luego un cabezal tipo inyección de tinta rociaría selectivamente el aglutinante apropiado para asegurar el polvo suelto a la capa inferior, luego el proceso comienza nuevamente con otra capa. Sería autosuficiente, pero no podría soportar huecos ya que los huecos contendrían polvo suelto. En la mayoría de los diseños de cohetes sólidos esto no sería un problema.
Sin embargo, los motores de cohetes sólidos tienen usos limitados. Su beneficio principal es el bajo costo, pero hace una serie de compensaciones por eso, incluido menos control en tiempo real y menos opciones de seguridad. Francamente, son de uso limitado.
Las estructuras granulares ya diseñadas brindan suficiente variación en el impulso a lo largo del tiempo, de modo que la mayoría de los perfiles de misión se pueden cumplir sin núcleos más especializados, por lo que simplemente no hay necesidad de una estructura granular más compleja.
Una vez que una misión llega al punto en que se requiere un perfil peculiar, la decisión generalmente comienza a inclinarse hacia los diseños de propulsores líquidos, que ofrecen una serie de otros beneficios. Los motores impresos en 3D no van a alterar drásticamente el panorama, especialmente ahora que nos acercamos a vehículos de lanzamiento 100 % reutilizables.
geoffc
SF.
Jack O´Connor