Os micro-lançadores são uma alternativa aos veículos de lançamento convencionais. Capaz de transportar cargas úteis de até 350 quilos, esses sistemas de transporte de médio porte são projetados para lançar pequenos satélites no espaço. Pesquisadores do Instituto Fraunhofer para Tecnologia de Materiais e Vigas IWS em Dresden e os especialistas aeroespaciais da TU Dresden desenvolveram um motor de foguete fabricado aditivamente com um bico de aerospike para micro-lançadores. Espera-se que o protótipo de metal em escala consuma 30 por cento menos combustível do que os motores convencionais. Ele será apresentado com destaque no Hannover Messe Preview em 12 de fevereiro e na vitrine do estande C18 no hall 16 do Hannover Messe de 20 a 24 de abril, 2020.

O mercado de pequenos satélites certamente crescerá nos próximos anos. O Reino Unido pretende construir um espaçoporto no norte da Escócia, o primeiro em solo europeu. A Federação das Indústrias Alemãs (BDI) também endossou a ideia de um espaçoporto nacional. É para servir de plataforma para lançadores de pequeno a médio porte que transportam instrumentos de pesquisa e pequenos satélites para o espaço. Esses micro-lançadores são projetados para transportar uma carga útil de até 350 quilos. Os motores Aerospike são um meio eficiente de alimentar esses micro-lançadores. Eles oferecem perspectivas bem-vindas de muito menos massa e consumo de combustível muito menor. Uma equipe de pesquisa do Fraunhofer IWS e do Instituto de Engenharia Aeroespacial da TU Dresden desenvolveu, fabricou e testou um motor aerospike nos últimos dois anos. O Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) financiou o projeto. O que diferencia este motor aerospike dos outros é que seu injetor de combustível, A câmara de combustão e o bico são impressos camada por camada em um processo de manufatura aditivo denominado fusão de leito de pó a laser (L-PBF). O bico consiste em um corpo central em forma de ponta projetado para acelerar os gases de combustão.

"A tecnologia por trás dos motores aerospike remonta à década de 1960. Mas nossa capacidade de produzir motores tão eficientes quanto isso se deve à liberdade proporcionada pela manufatura aditiva e sua incorporação em cadeias de processo convencionais, "diz Michael Müller, assistente científico no Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), que é operado em conjunto pela Fraunhofer IWS e TU Dresden. Os motores de foguete Aerospike prometem economia de combustível de cerca de 30 por cento em relação aos foguetes convencionais. Eles também são mais compactos do que os sistemas convencionais, o que reduz a massa geral do sistema. "Cada grama economizada vale seu peso em ouro em voos espaciais porque menos combustível precisa ser colocado em órbita. Quanto mais pesado o sistema geral, mais leve deve ser sua carga útil, "diz Mirco Riede, gerente de grupo de manufatura 3-D na Fraunhofer IWS e colega de Michael Müller. O bico aerospike desenvolvido por Fraunhofer IWS e TU Dresden se adapta melhor às mudanças de pressão na viagem da Terra à órbita. Isso o torna mais eficiente, portanto, queima menos combustível do que os motores convencionais.

Um bico fabricado aditivamente com resfriamento conformado

“Optamos por uma forma aditiva de fabricação do foguete de metal porque o motor requer uma refrigeração muito boa e precisa de canais de refrigeração internos. Este complexo sistema de refrigeração regenerativa com dutos internos labirínticos não pode ser fresado ou fundido de formas convencionais, "diz Riede. Aplicado camada por camada, o pó é então derretido. Essa fusão seletiva a laser cria gradualmente um componente com canais de resfriamento de um milímetro de largura que seguem os contornos da câmara de combustão. O pó residual nos canais é então aspirado. Este metal tem que atender a demandas rigorosas, permanecendo sólido em altas temperaturas e conduzindo bem o calor para garantir o resfriamento ideal. "Temperaturas de vários milhares de graus Celsius prevalecem na câmara de combustão, então isso requer resfriamento ativo, "diz Müller.

Cientistas da Fraunhofer IWS e TU Dresden estão olhando para o sistema de injeção em uma tentativa de aumentar ainda mais a eficiência do motor. Chamado CFDμSAT, o projeto está em andamento desde janeiro de 2020, com a participação do Grupo Ariane e da Siemens AG como sócios associados. Os injetores representam grandes desafios de design e fabricação. "Os combustíveis servem primeiro para resfriar o motor. Eles aquecem e, em seguida, são induzidos à câmara de combustão. O oxigênio líquido e o etanol são adicionados separadamente para serem misturados por meio de um injetor. A mistura de gases resultante é inflamada. Ela se expande na câmara de combustão e depois flui através de uma lacuna na câmara de combustão para ser descomprimido e acelerado pelo bocal, "observa Müller, explicando como este motor produz empuxo.

Teste de fogo quente do motor

Os pesquisadores de Dresden já testaram o protótipo do motor aerospike em uma célula de teste no Instituto de Engenharia Aeroespacial da TU Dresden, alcançando um tempo de queima de 30 segundos. "Este processo é especial porque há poucos precedentes para testes de bicos de aerospike. Provamos que um motor a jato de propelente líquido pode ser produzido por meio de manufatura aditiva, "diz Müller.

Este projeto é um exemplo da estreita colaboração entre a TU Dresden e institutos de pesquisa não universitários dentro de um cluster de ciências denominado conceito DRESDEN. TU Dresden é responsável pelo design e layout do motor; Fraunhofer IWS para a fabricação e validação de materiais. O primeiro passo foi adaptar o design ao processo de manufatura aditiva. Os pesquisadores então selecionaram e caracterizaram o material. Próximo, eles produziram os dois componentes do motor com o método L-PBF e retrabalharam suas superfícies funcionais. Os componentes foram unidos por soldagem a laser e um scanner de tomografia computadorizada inspecionado em busca de poros e outros defeitos. Essa avaliação não destrutiva também pode determinar se o pó sinterizado está obstruindo os canais de resfriamento. Este projeto demonstra como os processos de AM podem ser integrados às cadeias de processos atuais de maneira produtiva em todas as indústrias para avançar o estado da arte na manufatura.