Metal AM ermöglicht Studenten die Entwicklung eines wirtschaftlichen Konzepts für Raketenturbopumpen

30. August 2023

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Zwei Studenten, Zachary Lesan und Patrick Watson, vom Programm „Aerospace Engineering Sciences“ der University of Colorado Boulder, haben mit Experten von CFTurbo, Velo3D, Silicon Valley Elite Manufacturing, EMP und anderen zusammengearbeitet, um ein wirtschaftliches und zuverlässiges Raketenturbopumpenkonzept zu entwickeln . Während ihrer Feldpraktika knüpften die beiden Beziehungen zu leitenden Designern von Space

Zach Lesan, der ursprüngliche Leiter dieses zweiköpfigen College-Teams, kam im Januar 2021 während seines ersten Studienjahres auf die Projektidee. Watson trat gegen Ende 2022 bei und übernahm die meisten Aufgaben, nachdem Lesan seinen Abschluss gemacht und ein Praktikum bei SpaceX begonnen hatte.

„Ich habe dieses Projekt gestartet, weil ich Raketen und Turbomaschinen liebte“, erzählte Lesan. „Ich wusste, wie Festkörperraketenmotoren funktionieren, und habe sie schon während meiner Schulzeit entworfen. Allerdings erregten Flüssigkeitsraketen meine Fantasie. Ich wollte unbedingt alle Details verstehen.“

„Ich habe das Problem direkt angegangen“, fügte Lesan hinzu. „Es war eine riesige Gelegenheit, Komponentendesign, komplexes Baugruppendesign, CAD, 3D-Druck-Designprinzipien und eine Vielzahl von Softwaremodellierungslösungen für First-Principles-Probleme zu erlernen.“

Ein offensichtlicher Vorteil des Unternehmens war es, zu lernen, technische Probleme zu lösen. Der Entwurfs- und Bauprozess der Turbopumpe stellte jedoch noch weitere Herausforderungen dar, die es zu bewältigen galt. Die schwierigste, aber vielleicht lohnenswerteste Aufgabe bestand darin, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, die additive Fertigung, Bearbeitung, Standardteile wie Dichtungen und Befestigungselemente sowie Beratung anbieten konnten. In der Regel werden solche Aufgaben von erfahrenen Managern übernommen. Allerdings machten Lesan und dann Watson den Erwerb von Partnerschaften zu einem wichtigen Element bei der Verlagerung von Support und Produktion über das von der Schule betriebene Produktionslabor hinaus an fortschrittlichere Industriestandorte.

In der Anfangsphase des Projekts strebte Lesan eine einteilige Konstruktion an und kontaktierte den Metall-AM-Anbieter Velo3D. Er war sich darüber im Klaren, dass ihre Fähigkeiten zur Laserstrahl-Pulverbettfusion (PBF-LB) für die Produktion des SpaceX-Raptor-Triebwerks von entscheidender Bedeutung waren. Diese Anfrage führte zu einem Gespräch mit Zach Murphee, VP of Global Sales and Business Development bei Velo3D, und Gene Miller, Director of Technical Sales. Beide Personen ermutigten Lesan und boten die Technologie und Dienstleistungen des Unternehmens für das Projekt an.

„Zach und Gene waren von dem Projekt sehr begeistert“, sagte Lesan. „Und ihre Begeisterung hat mich noch mehr motiviert. Die Designfähigkeiten der Velo3D-Drucker und ihre persönliche Unterstützung haben mich letztendlich dazu bewogen, den gesamten Designprozess für die Turbopumpe zu durchlaufen.“

Nach Lesans Anruf bei Velo3D gelang ein weiterer Durchbruch. Während die Neukonstruktion der Turbopumpe im Gange war, lernte Lesan am CU Sounding Rocket Laboratory (CUSRL) Patrick Watson kennen, der bald sein Co-Designer werden sollte. Dort entdeckten sie ihr gemeinsames Interesse an Turbomaschinen und ihr Joint Venture begann. „Zach [Lesan] zeigte mir seine technische Präsentation und ich war überwältigt davon, wie technisch fortgeschritten sie war“, sagte Watson.

„Patrick ist etwa um Weihnachten 2021 eingesprungen“, fügte Lesan hinzu. „Ich habe durch sein Praktikum bei Launcher [einem riesigen Unternehmen] erfahren, dass er an Turbomaschinen arbeitet. Damit war der Grundstein für unsere Zusammenarbeit gelegt. Patrick lernte Anfang 2022 immer mehr über meinen ursprünglichen Entwurf und übernahm dann in diesem Jahr unser Projekt vollständig, was die Herstellung von Teilen und die Zusammenarbeit mit Partnern betrifft. Er fuhr mit den Zeichnungen, Fertigungsdokumenten, CFD und den endgültigen Ergebnissen fort.“

In den letzten fünf Jahren gab es bedeutende Fortschritte in der Weltraum- und Raketentechnologie. Sowohl unabhängige Ingenieure als auch kommerzielle Unternehmen arbeiten daran, einteilige Raketen zu entwerfen und Fertigungsansätze zu konsolidieren. Das von Lesan und Watson geteilte Ziel besteht darin, die Abhängigkeit von herkömmlichen Bearbeitungs-, Guss-, Löt- und Verbindungstechniken zu verringern, die die Funktionsleistung einschränken, die Zuverlässigkeit verringern und von einer schwindenden Lieferkette abhängig sind.

„Viele Unternehmen gießen ihre Teile“, sagte Watson. „Der wirklich große Durchbruch bei Turbomaschinen für Raumfahrt oder Energie ist der 3D-Metalldruck, hauptsächlich Laser Powder Bed Fusion (LBPF). Wir können jetzt die gewünschten Leistungsgeometrien drucken, die Designs iterieren, die von uns benötigten Oberflächen erhalten und die Bearbeitung selektiver einsetzen. Der Metall-3D-Druck macht unser Projekt möglich. Zach und ich nutzten unsere Praktikantengehälter, um das zu finanzieren, was nicht gespendet oder ermäßigt wurde. Stellen Sie sich vor, wir geben Zehntausende Dollar für die Bearbeitung herkömmlicher Teile oder die Entfernung von Stützstrukturen aus.“

Die akademischen Ziele des Reaper-Motors bestanden darin, agilere und kostengünstigere Methoden zur Herstellung von Raketen zu untersuchen. Lesan und Watson erkannten beide, dass der Erfolg des Projekts von der Senkung der Kosten für die Raumfahrt abhängt.

Mit seinen frühen Studien zu Festkörperraketen als Teenager und den zahlreichen Daten über Turbopumpen seit den 1960er Jahren verfügte Lesan über die Grundlagen für die Designarbeit, die er an der CU Boulder durchführen sollte. Sein nächster Schritt war die Entwicklung seines eigenen MethaLOX-Modells unter Verwendung von Metall-AM. Dies war der einzige Bereich, in dem er das Gefühl hatte, einen einzigartigen Beitrag leisten zu können. Obwohl Turbopumpen eine bekannte Einheit waren, rechnete Lesan nicht damit, ihre Leistung zu verbessern. Er glaubte jedoch, dass er und Watson durch die Integration von AM die Kosten senken und die Systemzuverlässigkeit gegenüber bestehenden Methoden verbessern könnten.

Die Teilekonsolidierung verbessert die Qualität durch die Eliminierung von Komponentendichtungsschnittstellen, einer historischen Fehlerquelle. Turbopumpen sind seit langem auf Dichtungen zur Verbindung ihrer Abschnitte angewiesen. Trotz technologischer Fortschritte bleiben Dichtungen aufgrund der hohen Flüssigkeits-/Gasdrücke in den Pumpen- und Turbineneinheiten ein Risikobereich.

„Durch die Minimierung der Teileanzahl haben wir so viele potenzielle herkömmliche Fehlerquellen beseitigt“, sagte Lesan. „Das Problem bei AM ist dann die Porosität und Teileverifizierung. Wir können uns unsere Velo3D-Bauberichte ansehen und feststellen, dass es im Prozess keine Fehler gab, die sich auf die Qualität ausgewirkt haben.“

„Einige Teile mussten wir kaufen oder konventionell herstellen“, sagte Watson. „Bei den Zukaufteilen handelt es sich um Beschläge, Lager, Dichtungen und Befestigungselemente zur Verbindung von Flanschabschnitten. Ansonsten lag der Schwerpunkt auf der Schaffung eines arbeitsfreundlichen, kostengünstigeren Systems, das herkömmliche Passungsprobleme durch kombinierte Teile vermeidet. Auch hier gibt es ein Sicherheitsproblem“, bemerkte Watson. „Die aus einem Teil gefertigten inneren Treibdichtungen liegen außerhalb der Norm. Durch den Einsatz eines Stickstoffspülsystems, das im gesamten Gehäuse der Reaper-Turbopumpe integriert ist, eliminieren wir effektiv die Möglichkeit, dass sich Treibstoffe vermischen und einen katastrophalen Ausfall verursachen. Wir sind in der Lage, Leckageverluste zu reduzieren, Leistungsprobleme und sogar Explosionen zu vermeiden. Ein einziges AM-gefertigtes Teil, das auf anspruchsvollen Überhangwinkeln und Ansätzen basiert, erreicht dieses Ziel.“

Lesan und Watson konnten ihre Rakete mit Hilfe vieler Menschen, die eine Leidenschaft für den Weltraum teilen, schnell entwickeln. Unter ihnen waren Professor John Farnsworth vom CU Boulder Aerospace-Programm sowie Cameron Micksch und Paul Wingrove vom Bearbeitungslabor der Universität.

Auch die Privatwirtschaft stellte Software, Dienstleistungen, Teile und Beratung bereit. Das zweiköpfige Kernteam nutzte Velo3D für seine Metall-AM; kritische Designsoftware und fortlaufende Hilfe von CFturbo; und Bearbeitungsdienstleistungen von Silicon Valley Elite Manufacturing und EMP. Darüber hinaus erhielten sie Dichtungen von Gallagher Fluid Seals und Instrumente von Kulite und Omega. Die Ratschläge kamen informell von einzelnen Ingenieuren ihrer beiden Praktikumsfirmen SpaceX und Launcher sowie von Ursa Major und Andrew Mitchell, früher bei Masten Space Systems und jetzt bei Astrobotic.

„Das Ausmaß der Branchenzusammenarbeit, die Zach und Patrick geschaffen haben, ist wirklich beeindruckend“, sagte Sid Raje, Business Development Account Manager bei Velo3D. „Sie haben mit Flüssigsauerstoff- und Methanantrieben auf der Entwicklung der Industrie aufgebaut, aber das Ausmaß ihres Einsatzes fortschrittlicher AM für die Teilekonsolidierung und anspruchsvolle Geometrien, Oberflächen und Überhänge ist wirklich herausragend.“ Die Reduzierung der Nachbearbeitungskosten und die verbesserte Systemzuverlässigkeit sind eine Lektion, die sie und andere weitergeben werden.“

Lesan hat sein Industriepraktikum bei SpaceX abgeschlossen und dient nun als Leutnant bei der Space Force. Inzwischen beendet Watson die letzte Etappe seines Grundstudiums und hat sich einen Job bei Launcher Space gesichert. Viele Hände und Köpfe werden weiterhin an der Fertigstellung des Reaper arbeiten, mit dem Ziel, einen Flug zur Karman-Linie in 100 Kilometern Höhe zu erreichen.

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