블로그

Jun 19, 2023

다중

가혹하고 가혹한 환경에서 액체 로켓 엔진의 고온 화재 테스트를 위해서는 풍부한 설계 결정, 복잡한 제조 및 구성 요소 통합이 필요합니다.

이 기사를 공유하세요

가혹하고 가혹한 환경에서 액체 로켓 엔진의 고온 화재 테스트를 위해서는 풍부한 설계 결정, 복잡한 제조 및 구성 요소 통합이 필요합니다. 몇 밀리초 안에 문제가 발생할 수 있다는 사실을 알면 엔진의 굉음과 테스트의 스릴로 인해 숨을 쉬는 것도 잊어버릴 수 있습니다. 복잡하고 까다롭기는 하지만 로켓 엔진의 설계 프로세스에서는 일반적으로 심각한 문제가 발생하지 않습니다.

구성 요소를 제조하고 복잡한 시스템으로 조립하려면 통합 및 성능 요구 사항을 충족하기 위해 상당한 시간, 비용 및 기술이 필요합니다. 그러나 추진 응용 분야를 위한 적층 제조(AM)의 가능성은 항공우주 산업 전반에 걸쳐 중요한 부품에 대해 입증되고 있으며 이전에는 불가능했던 로켓 설계를 가능하게 합니다. AM과 같은 최첨단 기술은 부품 수를 줄이고 무게를 최적화하며 보다 복잡한 부품 형상을 허용하는 데 사용됩니다. AM은 제조 부품 비용과 리드 타임을 크게 줄여줍니다. AM은 또한 훨씬 더 빠른 설계-실패-수정 주기를 통해 생산에 들어가기 전에 초기 프로토타입을 개발하고 테스트할 수 있습니다.

NASA는 로켓 엔진 성능을 개선하는 동시에 일부 제조 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다. 고위험 및 고보상 개발의 한 가지 예는 NASA의 RAMPT(Game Changing Development Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) 프로젝트입니다.

RAMPT는 업계, 상업 공간 및 학계와 협력하여 여러 AM 및 고급 제조 프로세스를 발전 및 통합하고 핫파이어 테스트를 통해 이를 입증했습니다. 액체 로켓 엔진 연소실과 노즐은 많은 금속 적층 제조 공정 중 하나를 사용하여 단일 합금으로 제조되는 경우가 많습니다. RAMPT는 AM 설계의 추가 최적화를 위해 새로운 합금, 다중 합금 AM 부품을 구현하고 여러 금속 AM 프로세스를 결합하기 위한 새로운 연구를 탐색했습니다. 이러한 철학으로 인해 팀은 무게를 더욱 줄이기 위해 새로운 AM 설계를 다른 고급 제조 복합재 오버랩 기술과 통합했습니다(그림 1).

그림 1. 로켓 엔진 추력 챔버 어셈블리(NASA)에 통합된 다중 합금 AM, 대규모 LP-DED 및 복합재 오버랩을 사용하는 RAMPT 개념.

규모는 RAMPT 팀이 성숙하게 된 과제 중 하나였습니다. NASA는 업계 파트너와 함께 LP-DED(레이저 분말 지향 에너지 증착) AM 프로세스를 발전시켜 직경 1m보다 큰 규모의 복잡한 얇은 벽 내부 채널 형상을 시연했습니다. 이는 채널 냉각 노즐을 목표로 하고 있었습니다. 자유형 LP-DED 프로세스를 사용하면 빌드 박스의 제약을 받지 않고 대규모 적층 제조가 가능합니다. 단 90일 만에 RAMPT 프로젝트는 1,000개 이상의 내부 채널을 포함하고 직경 1.5m(59인치), 높이 1.8m(72인치)를 측정한 LP-DED를 활용하여 NASA가 생산한 가장 큰 AM 노즐 중 하나를 인쇄했습니다(그림 2). . RAMPT 프로젝트에 따라 직경 2.4m(95인치), 높이 2.8m(111인치)의 실물 크기 RS-25 로켓 엔진 노즐 라이너도 개발되었지만 내부 채널은 포함되지 않았습니다(그림 2).

그림 2. 대규모 지향성 에너지 증착 노즐. (왼쪽) NASA HR-1 합금[NASA/RPMI]을 사용하는 직경 1.5m, 높이 1.8m 일체형 채널 노즐. (오른쪽) JBK-75 합금(NASA/DM3D)이 포함된 듀얼 헤드 LP-DED를 사용하는 직경 2.4m, 높이 2.8m 라이너.

그림 3. RAMPT 프로젝트(NASA)에 따라 개발된 다양한 규모의 복합재 오버랩 다중 합금 및 다중 프로세스 AM 추력 챔버.

NASA는 다양한 AM 부품 및 시스템에 대해 100,000초가 넘는 고온 화재 테스트를 축적했습니다. 이 경험은 NASA가 AM의 많은 과제와 한계를 이해하고 AM 구성 요소 인증을 위한 표준을 확립하는 데 도움이 되었습니다. RAMPT 프로젝트에 따른 기술을 더욱 발전시키기 위해 NASA의 MSFC(Marshall Space Flight Center) 테스트 스탠드 115에서 2,000lbf(8.9kN) 및 7,000lbf(31kN) 통합 추력 챔버를 고온 화재 테스트했습니다(그림 4). L-PBF GRCop-42 챔버 및 NASA HR-1 LP-DED 일체형 채널 노즐에 대한 데이터를 얻기 위해 분리(볼트 체결) 추력 챔버 테스트도 35,000lbf(156kN)에서 수행되었습니다(그림 5). 이 테스트는 AM 다중 합금, 결합된 AM 공정 및 복합재 오버랩의 과제를 입증하고 산업 주입에 대해 배운 다양한 교훈을 제공했습니다. 향후 테스트에는 1,400psi(97bar)를 초과하는 챔버 압력에서 완전히 결합된 40,000lbf(178kN)가 포함됩니다.