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Jun 19, 2023

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Dans un environnement difficile et impitoyable, de nombreuses décisions de conception, une fabrication complexe et l'intégration de composants sont nécessaires pour les essais à chaud des moteurs de fusée à liquide. Sachant que les choses peuvent mal tourner en quelques millisecondes, le grondement du moteur et le frisson de l'essai peuvent parfois vous faire oublier de respirer. Bien que complexe et exigeant, le processus de conception des moteurs de fusée ne constitue généralement pas un sujet où des problèmes importants se posent.

La fabrication et l'assemblage de composants dans un système complexe impliquent beaucoup de temps, de coûts et de compétences pour répondre aux exigences d'intégration et de performances. Pourtant, les promesses de la fabrication additive (FA) pour les applications de propulsion sont démontrées dans l’industrie aérospatiale pour des pièces critiques et permettent des conceptions de fusées auparavant impossibles. Des techniques de pointe telles que la FA sont utilisées pour réduire le nombre de pièces, optimiser le poids et permettre une géométrie de pièces plus complexe. La fabrication additive réduit considérablement les coûts et les délais de fabrication des composants. La fabrication additive permet également un cycle de conception-échec-réparation beaucoup plus rapide pour développer et tester les premiers prototypes avant de passer à la production.

La NASA a un rôle essentiel à jouer pour aider à résoudre certains problèmes de fabrication tout en améliorant les performances des moteurs de fusée. Le projet RAMPT (Game Changing Development Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) de la NASA est un exemple de développement à haut risque et à haute récompense.

RAMPT a engagé l’industrie, l’espace commercial et le monde universitaire pour faire progresser et intégrer plusieurs processus de FA et de fabrication avancés et les prouver par des tests à feu chaud. La chambre de combustion et la tuyère du moteur-fusée liquide sont souvent fabriquées à partir d’un seul alliage en utilisant l’un des nombreux procédés de fabrication additive métallique. RAMPT a exploré de nouvelles recherches pour créer de nouveaux alliages habilitants, des composants de FA multi-alliages et combiner plusieurs processus de FA métallique pour une optimisation plus poussée des conceptions de FA. Cette philosophie a conduit l'équipe à fusionner de nouvelles conceptions de fabrication additive avec d'autres techniques avancées de suremballage en composite pour réduire davantage le poids (Figure 1).

Figure 1. Concept RAMPT utilisant la fabrication additive multi-alliages, le LP-DED à grande échelle et un suremballage composite intégré dans un ensemble de chambre de poussée de moteur-fusée (NASA).

L’échelle était l’un des défis que l’équipe RAMPT a relevés. La NASA, en collaboration avec des partenaires industriels, a fait progresser le processus de fabrication additive par dépôt d'énergie dirigée par poudre laser (LP-DED) pour démontrer la géométrie complexe des canaux internes à paroi mince à des échelles supérieures à 1 mètre de diamètre. Cela visait la buse refroidie par canal. Le processus LP-DED de forme libre permet une fabrication additive à grande échelle, sans contrainte par la boîte de construction. En seulement 90 jours, le projet RAMPT a imprimé l'une des plus grandes buses AM produites par la NASA en utilisant le LP-DED, qui comprenait plus de 1 000 canaux internes et mesurait 1,5 m (59 pouces) de diamètre et 1,8 m (72 pouces) de hauteur (Figure 2). . Un revêtement de tuyère de moteur-fusée RS-25 à grande échelle a également été développé dans le cadre du projet RAMPT avec un diamètre de 2,4 m (95 pouces) et une hauteur de 2,8 m (111 pouces), mais ne comprenait pas de canaux internes (Figure 2).

Figure 2. Buses de dépôt d’énergie dirigée à grande échelle. (À gauche) Buse à canal intégré de 1,5 m de diamètre et 1,8 m de hauteur utilisant l'alliage NASA HR-1 [NASA / RPMI]. (À droite) Revêtement de 2,4 m de diamètre et 2,8 m de hauteur utilisant un LP-DED à double tête avec un alliage JBK-75 (NASA / DM3D).

Figure 3. Différentes échelles de chambres de poussée AM multi-alliages et multi-processus surenveloppe composite développées dans le cadre du projet RAMPT (NASA).

La NASA a accumulé plus de 100 000 secondes de tests à chaud sur diverses pièces et systèmes de fabrication additive. Cette expérience a aidé la NASA à comprendre bon nombre des défis et des limites de la fabrication additive et à établir des normes de certification des composants de fabrication additive. Pour faire progresser davantage la technologie dans le cadre du projet RAMPT, des chambres de poussée intégrées de 2 000 lbf (8,9 kN) et 7 000 lbf (31 kN) ont été testées à feu chaud au banc d'essai 115 du Marshall Space Flight Center (MSFC) de la NASA (Figure 4). Des tests de découplage (boulonné) de la chambre de poussée ont également été effectués à 35 000 lbf (156 kN) pour obtenir des données sur la chambre L-PBF GRCop-42 et la buse à canal intégré NASA HR-1 LP-DED (Figure 5). Ces tests ont mis en évidence les défis des multi-alliages de fabrication additive, des processus de fabrication additive combinés et du suremballage composite et ont fourni diverses leçons apprises pour l'infusion de l'industrie. Les futurs tests incluront un 40 000 lbf (178 kN) entièrement couplé à des pressions de chambre supérieures à 1 400 psi (97 bar).