Während des ursprünglichen Apollo-Programms produzierte die NASA mehr als 650 Triebwerke, um sechs Mondlandungen zu unterstützen. Tatsächlich verfügte jedes Apollo Lunar- und Service-Modul über vier „Quad“-Reaktionskontrollsysteme (RCS), von denen jedes mehr als 100 Pfund Schub erzeugte, um das Rollen, Neigen und Gieren des Raumfahrzeugs während des Fluges zu steuern.
Während diese technischen Meisterleistungen diese frühen, kritischen Missionen vorangetrieben haben, liegen diese Anwendungen nun 60 Jahre in der Vergangenheit. Mit Blick auf die Zukunft zielt das Artemis-Programm der NASA darauf ab, unbemannte Orion-Raumschiffe in die Mondumlaufbahn zu bringen, mit dem Ziel, bemannte Landungen auf dem Mond zu erreichen, der dann als Startpunkt für die Erforschung des Mars dienen würde.
Aerojet Rocketdyne's einzigartige Herausforderung
Das Quad RCS war bei seiner ursprünglichen Entwicklung ein Meilenstein, aber um es noch einmal zu wiederholen: 60 Jahre Innovation in der Weltraumforschung können die Perspektiven einst hochmoderner Designs verändern. Aerojet Rocketdyne wollte das ursprüngliche RCS verbessern und sein Design anpassen, um das Gewicht zu reduzieren und die Materialqualitäten zu verbessern, ohne die Designkomplexität zu opfern, die die ursprüngliche Iteration definierte.
Glücklicherweise konnten in diesen 60 Jahren der Innovation die Fortschritte in der fortschrittlichen additiven Metallfertigung (AM) die Verbesserung von Kernteilen mit beispielloser Wirksamkeit ermöglichen. Um ihre Ziele zu erreichen, Aerojet Rocketdyne beschäftigt nTopologie für Design- und Modellierungsverbesserungen am RCS und Velo3D zur Ausführung dieser Designs.
Bei der Bewertung potenzieller Fertigungspartner Aerojet Rocketdyne stieß sowohl mit traditionellen Herstellungsmethoden als auch mit konventionellen Metall-AM-Systemen auf Probleme. Für die herkömmliche Fertigung wie Gießen, Löten und Schweißen war die erforderliche Komplexität der internen Kanäle angesichts der erforderlichen Nachbearbeitung so gut wie unmöglich zu erreichen.
Herkömmliche Metall-AM-Systeme hatten mit den empfindlichen Gittermerkmalen des Teils zu kämpfen, die zur Erhöhung der Steifigkeit verwendet wurden, und setzten den Aufbau dem Kontakt mit dem Recoater aus, was wiederum die Integrität des Teils gefährdete. Diese Systeme erforderten auch ein Neigen der Bauplatte für die Herstellung, was nicht nur das endgültige Teil verzog, sondern auch umfangreiche Stützstrukturen erforderte, die bei der Nachbearbeitung entfernt werden mussten.
Die Velo3D- und nTopology-Lösung
Mit einem klaren Auftrag zur Teileoptimierung, Gewichtsreduzierung und verbesserten Materialqualität bei gleichzeitigem Kostenbewusstsein machten sich Velo3D und nTopology an die Arbeit.
Arbeiten mit nTopology und Velo3D, Aerojet Rocketdyne kombinierte die neuesten Fortschritte in der Konstruktionssoftwaretechnologie und die End-to-End-Fertigungslösung Velo3D mit der skalierbaren hypergolischen MON-25-Antriebstechnologie, um ein leistungsstarkes Quad-RCS zu einem Bruchteil der Produktionskosten älterer RCS-Designs zu erstellen.
„Wie bei jedem komplexen Unterfangen gilt: Je erschwinglicher Sie es machen können, desto größer ist die Chance, dass Sie seine Fertigstellung sicherstellen, und der Mond ist nicht anders“, sagte James Horton, Luft- und Raumfahrtingenieur und Missionsarchitekt bei Aerojet Rocketdyne. „Metal AM spielt eine Schlüsselrolle beim Erreichen dieser Ziele.“
Velo3D druckte das Teil mit Inconel® 718, eine Legierung auf Nickelbasis, die eine deutliche Alternative zum Titan 6Al-4V des ursprünglichen Quad-Injektors darstellte, das dafür bekannt ist, hart und spröde zu drucken.
Verwendung von Velo3Ds Sapphire Drucker, Aerojet Rocketdyne war in der Lage, optimierte, komplexe interne Gitterkonstruktionsmerkmale zu erzielen, ohne dass umfangreiche Stützstrukturen oder geneigte Bauplattenverzerrungen erforderlich waren.
Schlussendlich, Aerojet Rocketdyne blieb ein RCS-Triebwerk, das 1/5 der Masse, 1/2 der Größe und 1/3 der Kosten einer konventionell hergestellten Version ausmacht. Dank der Konstruktionserkenntnisse von nTopology enthält es auch weitaus weniger Komponenten, was die Montage erleichtert und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls während des Betriebs erheblich verringert.
Aerojet Rocketdyne Mark II Injektorblock in verschiedenen Ausrichtungen. Das Teil besteht aus Titanium 6AI-4V und wurde auf einem Velo3D gedruckt Sapphire 3D-Drucker aus Metall.
Wenn wir in die Zukunft der Weltraumforschung blicken, ist ein guter Anfang, die Innovationen der Vergangenheit zu verbessern und zu optimieren. Durch die Erschließung des Potenzials modernster Design- und Fertigungslösungen, Aerojet Rocketdyne konnte ihrem Quad RCS neues Leben einhauchen und für die Zukunft rüsten.
