Nye teknologier giver som oftest nye muligheder – det gælder også inden for rumfart.
3D-print som teknologi er måske ikke helt ny længere, men inden for rumfart giver 3D-print en række muligheder på grund af den store designfrihed og muligheden for at lave komplekse, indvendige geometrier. Fremstillingsteknikken bliver derfor mere og mere udbredt inden for rumfartsindustrien. Sådanne geometrier er nærmest umulige at opnå med andre produktionsteknologier, og vi ser fx at 3D-print bruges af Elon Musks SpaceX og engelske Orbex, som for nylig hævdede at have bygget verdens største 3D-printede raketmotor.
I DanSTAR har vi længe kendt til 3D-print i metal og vidst, at det var en mulighed, men at få lov til at arbejde med processen åbner selvfølgelig for nogle nye muligheder. Derfor var begejstringen stor, da Teknologisk Institut sagde ja til at samarbejde med os omkring udvikling og produktion af et 3D-printet brændkammer. Aftalen kom heldigvis på plads helt i starten af rakettens udviklingsfase, og dette betød at brændkammeret kunne designes specifikt til at blive produceret ved hjælp af 3D-print, hvilket har haft stor indflydelse på udformingen og løsningen af de tekniske udfordringer. Helt fra start har vi fokuseret på at udnytte de af de unikke de muligheder, der ligger i 3D-printteknologien. Resultatet er et letvægtsbrændkammer i aluminium, som er designet med avancerede indvendige kølekanaler, der udelukkende kan laves i 3D-print.
Første del af opgaven med at 3D-printe et brændkammer i aluminium var at nå frem til det helt rigtige design. Der stilles høje krav når man skal udvikle et kammer som kan klare høje tryk- og trykudsvingninger, meget høje temperaturer i lang tid, og som samtidigt skal konstrueres med en nøje udvalgt indvendig geometri for at sikre optimal forbrænding og acceleration, som er det som får raketten til at flyve i sidste ende. Regenerativ køling, hvor motoren køles ved at cirkulere brændstof ned omkring kammeret, havde længe været noget vi havde sigtet efter, og netop her er 3D-print for alvor en game-changer. Brug af regenerativ køling sikrer både at kammeret ikke overopheder uden at ekstra vægt skal medbringes til at køle, da man blot bruger brændstoffet som raketten flyver på - samtidigt får man overført noget af spildvarmen ind i brændstoffet, som cirkuleres direkte ind i forbrændingskammeret, og dermed er kølingsløsningen faktisk med at til at øge effektiviteten af raketmotoren. Kølingssituationen blev modelleret og undersøgt nøje, og med dette grundlag blev et konkret fysisk design modelleret i CAD. Gennem løbende dialog med Teknologisk Institut fik vi sparring og feedback på vores design, særligt ifht. at sikre at det var muligt at printe. I første omgang betød det, at vi måtte lave nogle justeringer på designet – fx i højden, som måtte reduceres en smule for at passe i printerens byggekammer.
Valget af propellanter til vores første raket i DanSTAR faldt på flydende lattergas og isopropanol, og dette har faktisk også stor indflydelse på hvorfor det brændkammer, som Teknologisk Institut har 3D-printet til os, ganske enkelt ikke ville kunne produceres med konventionel produktion. Kammeret er som sagt regenerativt kølet, hvilket vil sige at vi cirkulerer brændstoffet inde i væggen på kammeret gennem en lang, skjult spiral. Denne type motor er velkendt inden for raketmotordesign, men den er enormt kompliceret at producere, fordi man er nødt til at finde en måde at få kølemidlet ført ind i væggen. Når man bruger fx flydende ilt og RP-1 som brændstof har man imidlertidig den fordel at blandingsforholdet er ret pænt og tæt på 1 del oxidizer til 1 del brændstof baseret på masse. Med lattergas og isopropanol skal man dog, i en støkiometrisk optimal forbrænding, bruge 5.5 dele oxidizer til 1 del brændstof. Idet det er vigtigt at temperaturen af lattergassen er lav så den forbliver flydende indtil atomiseringen sker i brændkammeret er det eneste valg stort set at køle med brændstoffet, men på grund af blandingsforholdet har man altså kun en meget lille mængde brændstof at køle med. For at løse dette problem kræver det at man virkelig udnytter den konvektive varmeoverførsel ved at have en meget lang kølekanal hvor brændstoffet strømmer ved meget høj hastighed. For at opnå dette er kølekanalen i vores motor faktisk en enkelt lang helix med variabel stigning, som snor sig hele vejen langs ydersiden af kammeret. Mens man tit kan slippe afsted med blot at lade brændstoffet flyde lidt tilfældigt henover kammervæggen, var vi altså nødt til at have en meget specifik og velovervejet geometri for at kunne køle tilstrækkeligt.
Heldigvis er en af fordelene ved 3D-print er netop, at det er relativt let at justere designet undervejs, hvis man støder på udfordringer eller får behov for at lave ændringer. Da vi havde fået printet den første version af brændkammeret, opdagede vi fx, at der under selve printprocessen havde samlet sig kompakteret aluminiumspulver i de meget små kølekanaler. Pulveret var nærmest umuligt at få ud og gjorde, at vi ikke ville kunne få brændstof igennem kølekanalerne. Løsningen var at lave et modificeret design i tæt samarbejde med Teknologisk Institut, hvor små adgangshuller blev lagt ind forskellige steder i kølekanalen, hvor pulveret kunne komme ud, og hvor vi nu har mulighed for at sætte termocouples på brændkammeret og få temperaturmålinger ud under test. Når raketten så skal tages i brug, forsegler vi adgangshullerne med specialdesignede propper. Den slags ændringer ville være enormt komplicerede at lave ved traditionel fremstilling, men med 3D-print ligger den primære udfordring i at justere designet, og når det er gjort, kan der printes og leveres et nyt kammer inden for et par dage.
Kølingen af kammeret er i ekstremt vigtig, da forbrændingen sker ved meget høj temperatur – helt op til 3.200 °C – og meget få materialer kan holde til den temperatur, endsige bevare deres styrke. Da vi gik i gang med at designe brændkammeret, præsenterede Teknologisk Institut os for nogle forskellige materialemuligheder, og her valgte vi aluminium, er optimalt både pga. høj styrke ved lav densitet, og fordi at den termiske konduktivitet af aluminium er optimal til varmeoverførslen ud i kølekanalerne. Dette materialevalg dikterede på mange måder designet, da aluminium mister styrke allerede omkring 250 °C, og selvfølgelig har en bestemt flydespænding som bestemmer de nødvendige godstykkelser for en bestemt geometri for at vi kan modstå trykket i kammeret under forbrændingen.
Det har været virkelig spændende for Rasmus, som i DanSTAR lavede sit bachelorprojekt i at designe kammeret og alle de overvejelser der ligger bag, at arbejde med 3D-printdesignet af brændkammeret og samtidig få erfaringer med materialemulighederne. Både den geometriske frihed, men også den overraskende høje styrke af de 3D-printbare aluminiumslegeringer selv ved små godstykkelser giver mange muligheder for at løse tekniske problemstillinger. Derudover har det været en stor hjælp at kunne sparre med Teknologisk Institut under designprocessen, og noget som giver lidt ekstra kræs til CV'et - der undervises nemlig ikke i design specifikt med henblik på additiv fremstilling på DTU, og selvom vi har stort kendskab til FDM-plastikprintere, er det alligevel en lidt anden sag, når det er metalprint, det drejer sig om. Resultatet synes vi selv er imponerende, og vi er temmelig begejstrede for den raketmotor, vi står med i dag – for en studenterforening er det et ambitiøst startskud på studenterudviklede raketter i Danmark.
