Metal AM permite a los estudiantes universitarios desarrollar un concepto económico de turbobomba para cohetes

30 de agosto de 2023

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Dos estudiantes universitarios, Zachary Lesan y Patrick Watson, del programa de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Colorado Boulder, han colaborado con expertos de CFTurbo, Velo3D, Silicon Valley Elite Manufacturing, EMP y otros para desarrollar un concepto de turbobomba para cohetes económico y confiable. . Durante sus pasantías de campo, los dos formaron relaciones con diseñadores senior de Space X y Launcher que los ayudaron a comprender los caminos para resolver los desafíos más apremiantes relacionados con el diseño de cohetes y la creación de componentes ideales, de una sola pieza y de alto rendimiento para el espacio.

A Zach Lesan, el líder original de este equipo universitario de dos personas, se le ocurrió la idea del proyecto en enero de 2021 durante su tercer año de estudios universitarios. Watson se unió y asumió la mayoría de las responsabilidades a finales de 2022, después de que Lesan se graduara y comenzara una pasantía en SpaceX.

“Empecé este proyecto porque me encantaban los cohetes y las turbomáquinas”, compartió Lesan. “Sabía cómo funcionaban los motores de cohetes de estado sólido y los diseñé en el pasado mientras estaba en la escuela secundaria. Sin embargo, los cohetes de propulsión líquida cautivaron mi imaginación. Tenía muchas ganas de entender todos los detalles”.

“Ataqué el problema de frente”, añadió Lesan. "Fue una gran oportunidad para aprender diseño de componentes, diseño de ensamblajes complejos, CAD, principios de diseño de impresión 3D y una variedad de soluciones de modelado de software para problemas de primeros principios".

Aprender a resolver problemas de ingeniería fue un beneficio obvio de la empresa. Sin embargo, el proceso de diseño y construcción de la turbobomba presentó más desafíos que superar. La tarea más difícil, pero quizás la más gratificante, fue colaborar con socios de la industria que pudieran ofrecer fabricación aditiva, mecanizado, piezas disponibles en el mercado, como sellos y sujetadores, y asesoramiento. Normalmente, estos esfuerzos están a cargo de gerentes experimentados. Sin embargo, Lesan y luego Watson hicieron de la adquisición de asociaciones un elemento importante para trasladar el soporte y la producción más allá del laboratorio de fabricación administrado por la escuela a sitios industriales más avanzados.

En las primeras etapas del proyecto, Lesan apuntó a la construcción de una sola pieza y se puso en contacto con el proveedor de fabricación aditiva de metal Velo3D. Sabía que sus capacidades de construcción de Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) eran cruciales para la producción del motor SpaceX Raptor. Esta consulta dio lugar a una conversación con el vicepresidente de ventas globales y desarrollo comercial de Velo3D, Zach Murphee, y el director de ventas técnicas, Gene Miller. Ambas personas animaron a Lesan y ofrecieron la tecnología y los servicios de la empresa para el proyecto.

"Zach y Gene estaban muy entusiasmados con el proyecto", dijo Lesan. “Y su entusiasmo hizo que me comprometiera aún más. Las capacidades de diseño de las impresoras Velo3D y su estímulo personal finalmente me impulsaron a realizar todo el proceso de diseño en la turbobomba”.

Después de la llamada de Lesan a Velo3D, se produjo otro gran avance. Con el rediseño de la turbobomba en marcha, Lesan conoció a Patrick Watson, quien pronto se convertiría en su codiseñador, en el CU Sounding Rocket Laboratory (CUSRL). Allí descubrieron un interés compartido en las turbomáquinas y comenzó su empresa conjunta. "Zach [Lesan] me mostró su presentación de ingeniería y quedé impresionado por lo avanzada que era técnicamente", dijo Watson.

“Patrick intervino alrededor de la Navidad de 2021”, añadió Lesan. “Me enteré de que estaba trabajando en turbomaquinaria durante su pasantía en Launcher [una gran empresa]. Eso preparó el escenario para nuestra colaboración allí mismo. Patrick aprendió cada vez más sobre mi diseño inicial a principios de 2022 y luego se hizo cargo de nuestro proyecto por completo ese año en términos de fabricación de piezas y trabajo con socios. Continuó con los dibujos, los documentos de fabricación, el CFD y los entregables finales”.

En los últimos cinco años se han producido avances significativos en la tecnología espacial y de cohetes. Tanto ingenieros independientes como empresas comerciales están trabajando para diseñar cohetes de una sola pieza y consolidar los enfoques de fabricación. El objetivo, compartido por Lesan y Watson, es reducir la dependencia de las técnicas tradicionales de mecanizado, fundición, soldadura fuerte y unión, que limitan el rendimiento funcional, disminuyen la confiabilidad y dependen de una cadena de suministro cada vez más reducida.

"Muchas empresas hacen su parte", dijo Watson. “El verdadero gran avance en turbomaquinaria para el espacio o la energía es la impresión de metales en 3D, principalmente la fusión por láser en lecho de polvo (LBPF). Ahora podemos imprimir las geometrías de rendimiento que queremos, iterar los diseños, obtener las superficies que necesitamos y utilizar el mecanizado de forma más selectiva. La impresión 3D en metal hace posible nuestro proyecto. Zach y yo usamos nuestros salarios de internos para financiar lo que no fue donado ni descontado. Imagínense que gastamos decenas de miles de dólares en mecanizar piezas tradicionales o eliminar estructuras de soporte”.

Los objetivos académicos del motor Reaper eran investigar métodos ágiles y más rentables para fabricar cohetes. Lesan y Watson reconocieron que el éxito del proyecto dependía de la reducción del coste de los vuelos espaciales.

Con sus primeros estudios sobre cohetes de estado sólido cuando era adolescente y tanta información sobre turbobombas a mano desde la década de 1960, Lesan tenía los conceptos básicos establecidos para el trabajo de diseño que iba a realizar en CU Boulder. Su siguiente paso fue crear su propio modelo MethaLOX utilizando AM metálico. Ésta era la única área en la que sentía que podía hacer una contribución única. Si bien las turbobombas eran una entidad conocida, Lesan no esperaba mejorar su rendimiento. Sin embargo, creía que al incorporar la AM, él y Watson podrían reducir los costos y mejorar la confiabilidad del sistema con respecto a los métodos existentes.

La consolidación de piezas mejora la calidad al eliminar las interfaces de sellado de componentes, una fuente histórica de fallas. Las turbobombas han dependido durante mucho tiempo de sellos para unir sus secciones. A pesar de los avances en la tecnología, los sellos siguen siendo un área de riesgo debido a las altas presiones de fluido/gas involucradas en las unidades de bomba y turbina.

"Nos hemos deshecho de muchos posibles modos de falla tradicionales minimizando el número de piezas", dijo Lesan. “El problema entonces con la fabricación aditiva es la porosidad y la verificación de piezas. Podemos consultar nuestros informes de compilación de Velo3D y ver que no hubo errores en el proceso que afecten la calidad”.

"Hay algunas piezas que tuvimos que comprar o fabricar de forma convencional", dijo Watson. “Las piezas compradas son accesorios, cojinetes, sellos y sujetadores para unir secciones de bridas. Pero por lo demás, la atención se centró en crear un sistema de menor costo y fácil de trabajar, que evite los problemas de ajuste tradicionales mediante piezas combinadas. Aquí también hay un problema de seguridad”, señaló Watson. “Los sellos propulsores internos, hechos de una sola pieza, están fuera de la norma. Al utilizar un sistema de purga de nitrógeno, que está impreso integralmente en todas las carcasas de la turbobomba Reaper, eliminamos efectivamente las posibilidades de que los propulsores se mezclen y causen fallas catastróficas. Conseguimos reducir las pérdidas por fugas, evitar problemas de rendimiento e incluso explosiones. Una sola pieza producida por AM, que se basa en enfoques y ángulos de voladizo desafiantes, logra este objetivo”.

Lesan y Watson pudieron desarrollar rápidamente su cohete con la ayuda de muchas personas que comparten la pasión por el espacio. Entre ellos se encontraba el profesor John Farnsworth del programa CU Boulder Aerospace, así como Cameron Micksch y Paul Wingrove del laboratorio de mecanizado de la universidad.

La industria privada también proporcionó software, servicios, repuestos y asesoramiento. El equipo principal de dos personas utilizó Velo3D para su fabricación aditiva de metal; software de diseño crítico y ayuda continua de CFturbo; y servicios de mecanizado de Silicon Valley Elite Manufacturing y EMP. Además, recibieron sellos de Gallagher Fluid Seals e instrumentación de Kulite y Omega. Los consejos fluyeron informalmente de ingenieros individuales en sus dos compañías de pasantías, SpaceX y Launcher, así como de Ursa Major y Andrew Mitchell, anteriormente en Masten Space Systems y ahora en Astrobotic.

"El alcance de la colaboración industrial que Zach y Patrick han creado es realmente impresionante", dijo Sid Raje, gerente de cuentas de desarrollo comercial de Velo3D. “Han aprovechado el rumbo de la industria con propulsión de oxígeno líquido y metano, pero realmente destaca el alcance de su uso de AM avanzada para la consolidación de piezas y geometrías, superficies y voladizos exigentes. La reducción de los costos de posprocesamiento y la mejora de la confiabilidad del sistema es una lección que ellos y otros llevarán adelante”.

Lesan concluyó su pasantía industrial en SpaceX y ahora se desempeña como segundo teniente en la Fuerza Espacial. Mientras tanto, Watson está terminando la última etapa de sus estudios universitarios y consiguió un trabajo en Launcher Space. Muchas manos y mentes seguirán trabajando para completar el Reaper, con el objetivo de lograr un vuelo hasta la línea Karman a 100 kilómetros.

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