Esa onderzoekt AM-componenten Layerwise voor satellietmotoren
Communicatiesatellieten zorgen onder meer voor mobiel internet en beveiligde financiële communicatie tussen banken, rechtstreekse tv-uitzendingen en aardobservatie ten behoeve van weervoorspellingen. Een van taken van het Europese ruimtevaartagentschap Esa is toezicht houden op de ontwikkeling van satellietmotortechnologie. Als onderdeel van een intern gefinancierd programma onderzoekt het de huidige stand van additive manufacturing (AM) bij metaal, waarbij het potentieel en de evolutie van de technologie worden bekeken in het licht van de toekomstige ontwikkelingen op het gebied van motoren.
Als onderdeel van het onderzoeksprogramma koos Esa voor een samenwerking met Layerwise vanwege de ervaring van dit Leuvense bedrijf met AM-technologie. Layerwise ontwierp injectoren, verbrandingskamers en uitstroomstraalpijpen met AM en bood alternatieve functionele ontwerpvarianten die alleen door het gebruik van AM mogelijk zijn. Esa vroeg de Leuvenaren om de ontwerpen via AM naar best vermogen te produceren, zonder opgave van specificaties op het vlak van nauwkeurigheden. Het idee van Esa is om de ruwe bouwkwaliteit van de AM-componenten te evalueren. Samen met Layerwise worden hieruit lessen getrokken om samen op termijn te komen tot verbeterde motoronderdelen voor satellieten. Door verregaande controle over het AM-productieproces bereikt Layerwise een homogene microstructuur met een relatieve dichtheid tot 99,98 procent. Hierdoor komen de materiaaleigenschappen van een AM-onderdeel nagenoeg overeen met hetzelfde ontwerp dat uit een blok van dezelfde legering conventioneel zou zijn vervaardigd.
Het injectorgedeelte van een satellietmotor brengt op een gecontroleerde manier twee drijfgassen samen waardoor dit gasmengsel spontaan ontbrandt. De venturi-vormige verbrandingskamer versnelt de chemische uitlaatgassen en levert hierbij het vermogen dat nodig is om de satelliet in de ruimte naar zijn juiste baan te brengen. Het expansiemondstuk beïnvloedt de bewegingskarakteristieken door de gasdoorstroming verderop in de stroom te regelen.
Titaniumlegering
’AM maakt het mogelijk om innovatieve manifolding te realiseren om de doorstroming van de drijfgasregelklep naar de verbrandingskamer te optimaliseren‘, zegt Simon Hyde, propulsion engineering-specialist bij Esa. Met de ontwerpvrijheid die AM biedt, kan Esa het aantal onderdelen van de injectorsamenstelling terugbrengen tot een. Bij conventionele fabricage zijn dit er vijf. AM maakt veel afdichtingslassen overbodig die bij de traditionele werkwijze zorgen voor het betrouwbaar hydraulisch inspuiten. Dit drukt de kosten en verlaagt het risico op lekkages.
AM is ook geschikt voor de fabricage van een thermisch injectorontwerp dat voorkomt dat warmte wordt teruggezogen naar de warmtegevoelige brandstoftoevoerkleppen en naar het ruimtevaartuig zelf.
Met AM hoeft er geen rekening te worden gehouden met het feit dat productiemachines toegang moeten hebben tot de plaatsen waar moet worden gefreesd of geboord. Daardoor kon een verbeterde thermische scheiding worden gerealiseerd in het monolitische injectorontwerp. Met de meshing-mogelijkheden van AM kan de thermische geleiding en het gewicht van de injector nog verder worden verlaagd.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
Het injectorontwerp – gebouwd uit een ruimtebestendige titaniumlegering (Ti6Al4V) – benadert de producteisen van de ruimtevaartsector en de designbehoeftes van de raketmotorontwerper. De AM-injectorontwerpen uit één stuk zorgen voor optimale kanaalvormen voor de brandstoftoevoer, waardoor de verbranding prima wordt voorbereid. De nadelen tot dusver ondervonden verhinderen geenszins het dieper onderzoeken van AM voor deze toepassing. Aandachtspunten bij de AM-injectorcomponenten zijn nabehandeling van de oppervlakte en het zuiver maken van de fijne, inwendige brandstofkanalen. Inspecties uitgevoerd met een coördinaatmeetmachine en een industrieel röntgentoestel geven aan dat de kritieke maten binnen de verwachtingen liggen.
Mesh
De verbrandingskamers van compacte satellietmotoren bestaan doorgaans uit een convergent-divergent mondstuk met een niet-ondersteunde uitgang. De drijfgasreacties gaan nog door in de convergente sectie, voordat de uitstromende gassen door de smalle opening naar de divergente sectie stromen, waar ze supersonisch uitzetten. De bestaande kamers hebben een dikke wand zodat ze de extreme belastingen tijdens de lancering kunnen weerstaan. Zo‘n wand is alleen nodig om de niet-operationele, tijdelijke belastingen het hoofd te bieden. Eenmaal onderweg en operationeel kan het met minder materiaal.
Simon Hyde zegt dat AM het toeliet om de kamerfuncties te scheiden tussen operationele en niet-operationele belastingen. Intuïtief vertaalt zich dit in strutwerkribben die de dunne verbrandingskamerwand en de gelaste flens voor de bevestiging van het expansiemondstuk ondersteunen. In plaats van het ruwe strutwerk produceerde Layerwise de draagstructuur als een AM-mesh met lage dichtheid. Omdat de volumetrische dichtheid slechts twaalf procent is, verlaagt AM het gewicht van de verbrandingskamer en verbetert het de structurele veiligheidsmarges.
De AM-demoverbrandingskamer werd ook vervaardigd in Ti6Al4V-materiaal. Het uiteindelijke materiaal voor de verbrandingskamer moet een legering zijn (bijvoorbeeld op basis van niobium, molybdeen, tantaal, wolfraam of rhenium) die de extreme verbrandingswarmte kan weerstaan. Nader onderzoek van dit alternatieve ontwerp omvat de studie van de isotropie van het AM-gaaswerk in het stressveld en de gedetailleerde thermische impact ervan. Deze mesh zal de effectieve oppervlakte-emissiviteit verhogen maar beïnvloedt de warmtefluxen rondom de kamer en vereist verder onderzoek.
Veel van de typische aandachtspunten rond AM zijn niet van toepassing op of spelen geen kritieke rol bij verbrandingskamers. Het oppervlak glad en zuiver maken is geen probleem omdat de verbrandingskamer open en toegankelijk is, en porositeit is minder van tel omdat de mechanische stress in de component eerder laag is. Metingen gaven aan dat de platheid van de montageflens voldoende was, evenals de positionering van de montagegaten.
Flexibiliteit
Bijkomend onderzochten Esa-ingenieurs AM voor het vervaardigen van een expansiemondstuk met een uitgangsdiameter van bijna vijftig centimeter. Dit is waarschijnlijk het grootste AM-onderdeel dat ooit werd gebouwd. Het grootste AM-volume dat Layerwise kan produceren, is een onderdeel waarvan de geometrie past in een prisma van 275 bij 275 bij 450 mm. De spanning in het mondstuk is verhoudingsgewijs laag en door het minimaliseren van de overhangende massa wordt een betere marge op het cantilever-motorontwerp verkregen. Layerwise produceerde ook het AM-expansiemondstuk in Ti6Al4V, dat grotendeels voldoet aan de mechanische en thermische vereisten die Esa stelt aan het expansiemondstuk.
Volgens Hyde biedt AM fabricagevoordelen ten opzichte van traditionele spinvorming van metalen plaatmateriaal, dat weinig ontwerpflexibiliteit toelaat. Met AM kunnen de motorprestaties worden aangepast aan klantspecifieke voortstuwingsprofielen waarmee veel ontwerpopties tot laat in het productieproces openblijven. Een AM-aandachtspunt is het produceren van een grote vorm met een kleine wanddikte, zonder te hoge geometrische afwijkingen. Ook het AM-expansiemondstuk werd onderworpen aan gedetailleerde metingen met een CMM en een industrieel röntgentoestel.
