Однією з ключових тенденцій у космічній галузі є зниження вартості відправки екіпажів і корисного навантаження в космос за рахунок використання нових технологій і процесів. Космічні агентства прагнуть знайти нові способи зробити місії більш економічними. NASA успішно випробувало алюмінієве сопло ракетного двигуна, виготовлене з використанням процесу 3D-друку. Технологія дає змогу виробляти алюмінієві компоненти як єдине ціле, що робить матеріал практичнішим і надійнішим, а також скорочує час виробництва.
Адитивне виробництво (3D-друк) зробило справжню революцію. На відміну від традиційних методів, де значна частина сировини під час виробництва йде в неминучі відходи, 3D-друк створює компоненти на замовлення, шар за шаром. Цей процес практично не створює відходів і є швидким, економічним та ефективним. Якщо раніше 3D-друк використовували здебільшого для моделювання та прототипування, то зараз сфери застосування включають і аерокосмічну індустрію.
NASA розробила алюмінієве сопло у співпраці з однією з провідних компаній ринку 3D-друку Elementum 3D. Порівняно з іншими металами, алюміній має меншу щільність і дає змогу створювати високоміцні та легкі компоненти. Однак при традиційному виробництві для сопла ракети може знадобитися тисяча індивідуально з’єднаних деталей. Це робить алюміній непрактичним, оскільки він має низьку стійкість до екстремальних температур і схильність до розтріскування під час зварювання. Процес реактивного адитивного виробництва RAMFIRE (Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution) усуває цю проблему, виробляючи алюмінієві компоненти як єдине ціле, що значно скорочує час виробництва.
Сопла мають невеликі внутрішні канали, які допомагають охолоджувати їх, запобігаючи плавленню. 3D-принтер RAMFIRE і сам процес формування деталей були розроблені іншим комерційним партнером NASA – RPM Innovations. Ця компанія спеціалізується на методі спрямованого енергетичного осадження (DED), за якого шари порошкового сплаву наносяться і сплавляються за допомогою лазерів.
Два створених за такою технологією сопла RAMFIRE успішно пройшли випробування на полігоні Центру космічних польотів Маршалла в Гантсвіллі. Сопла впоралися з використанням рідкого кисню (LOX) і рідкого водню (LH2), а також комбінацій LOX з рідким метаном за тиску, що перевищує 5690 кілопаскалів. Це вище, ніж очікується під час запуску ракет. Загалом сопла пройшли 22 пускові випробування і працювали понад 10 хвилин, демонструючи здатність витримувати складні умови роботи під час старту ракети і в космічному просторі.
NASA вперше продемонструвало ефективність компонентів, надрукованих на 3D-принтері, у березні 2023 року, коли Relativity Space провела випробувальний запуск своєї ракети Terran 1 зі станції космічних сил на мисі Канаверал у Флориді. Ця випробувальна ракета була першою, повністю виготовленою з деталей, надрукованих на 3D-принтері. Двигуни були зроблені з інноваційного сплаву Glenn Research Copper і могли витримувати температури, що наближаються до 3315 °C, що на 40% вище, ніж у традиційних мідних сплавів.
На додаток до ракетних сопел і двигунів RAMFIRE також виготовила аеродинамічне сопло діаметром 91 см, що включає компоненти для застосування з кріогенним паливом. Ці інновації важливі для програми NASA “Місяць-Марс”, яка включає місію “Артеміда” і повернення астронавтів на Місяць, а також створення місячної інфраструктури, необхідної для організації пілотованих місій на Марс. Невід’ємна частина цієї програми – відправка більших вантажів на Місяць, Марс та інші місця в далекому космосі, а також можливе створення ракетних деталей за межами Землі.
