Boceto preliminar de Reaper
Diseño que utiliza métodos agiles, escalables con reducción de costos en fabricación
El trabajo duro y una buena ayuda pueden dar sus frutos, según han aprendido dos jóvenes ingenieros. Mezclando curiosidad universitaria y compromiso con el mundo real, Zachary Lesan y Patrick Watson dos estudiantes del programa de Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Colorado (CU) en Boulder, iniciaron un trabajo sobre diseño y fabricación de turbobombas, aprendieron una lección de determinación y colaboración industrial. En el camino, su proyecto reforzó algunos puntos que se están planteando sobre los cohetes de próxima generación.
Conforme la industria aeroespacial avanza y utiliza la manufactura aditiva como medio de convertir nuevos diseños basados en la física en piezas de mayor desempeño, también se abre la carrera para hacer que los componentes espaciales sean más confiables, económicos y fabricables mediante estrategias de fabricación ágiles.
Zachary Lesan y Patrick Watson estudiantes de diseño de ingeniería aeroespacial de CU Bolder
¿Cómo se hace esto? Todas las miradas están puestas en la manufactura aditiva metálica para alcanzar el ideal de fabricación de motores de cohetes en una sola pieza, donde se combinen tantas piezas y secciones como sea posible para lograr la integridad de los materiales, aligeramiento, desempeño y rapidez de manufactura.
Tal vez una forma de empezar a trabajar en estos objetivos es ser becario, tener tiempo fuera del trabajo, del aula y sólo capacidad de negociación para conseguir piezas de impresión, mecanizado y accesorios. Estos factores son probablemente una motivación tan fuerte como cualquier otra para adoptar enfoques de procesos esbeltos y rápidos.
La curiosidad alimenta la pasión
Zach Lesan, el líder inicial de este equipo universitario de dos personas concibió el proyecto en enero de 2021 mientras cursaba el penúltimo año de sus estudios universitarios. Watson se incorporó y asumió la mayor parte de las tareas en otoño de 2022, una vez que Lesan se graduó y comenzó unas prácticas en SpaceX.
Contra todo pronóstico y los deseos prácticos de sus profesores, Lesan persiguió su pasión por los cohetes aeroespaciales a pesar del alcance del reto, académico y financiero. "Empecé este proyecto porque me encantaban los cohetes y la turbo maquinaria", dice Lesan. "Sabía cómo funcionaban los motores de cohetes de estado sólido y los diseñé en el pasado mientras estaba en el instituto. Sin embargo, los cohetes de propulsión líquida cautivaron mi imaginación. Tenía muchas ganas de entender todos los detalles".
Al no encontrar indicios de que se estuvieran llevando a cabo proyectos de este tipo a nivel universitario, Lesan decidió sumergirse en ellos. Con un curso de postgrado sobre cohetes de propulsión en marcha, confiaba en poder lograr algo paralelo a sus estudios. Pero tenía que darse prisa, ya que se acercaba la graduación.
"Ataqué el problema de frente", dijo Lesan. "Fue una gran oportunidad para aprender diseño de componentes, diseño de ensambles, CAD, principios de diseño de impresión en 3D y una variedad de soluciones de modelado de software para aplicarlos a los primeros problemas".
Aprender a resolver estos problemas de ingeniería fue un beneficio obvio de la empresa, pero no fue ni mucho menos el único reto que hubo que superar en el proceso de diseño y construcción de la turbobomba. La tarea más ardua, aunque quizá la más gratificante, fue buscar en la industria socios colaboradores que pudieran ofrecer impresión 3D, mecanizado, piezas estándar como juntas y cierres, y asesoramiento. De estas tareas suelen encargarse personas experimentadas. Sin embargo, Lesan, y luego Watson, se hicieron de socios, un elemento fundamental como apoyo en producción más allá del laboratorio de fabricación de la escuela hacia centros industriales más avanzados.
Una vista en corte de su turbobomba metálica para cohetes impresa en 3D llamada Reaper
Inicio de la colaboración
Al principio, con el objetivo de fabricar una sola pieza, Lesan se puso en contacto con el proveedor de manufactura aditiva de metales Velo3D. Sabía por lo que había leído de sus avanzadas capacidades de impresión 3D por fusión en cama de polvo láser (LPBF), un proceso fundamental para la producción del motor Raptor de SpaceX. Esta consulta en línea dio lugar a una conversación con Zach Murphree, VP de ventas globales de Velo3D, y Gene Miller, director de ventas técnicas. Ambos animaron a Lesan y ofrecieron la tecnología y los servicios de la empresa para el proyecto.
"Zach y Gene estaban muy entusiasmados con el proyecto", dijo Lesan. "Y su entusiasmo hizo que me comprometiera aún más. Las capacidades de diseño de las impresoras Velo3D y sus ánimos personales acabaron por impulsarme a llevar a cabo todo el proceso de diseño de la turbobomba para el cohete."
Tras la llamada de Lesan a Velo3D, se produjo otro gran avance. Con el rediseño de la turbobomba en marcha, Lesan conoció al que pronto sería su compañero de diseño Patrick Watson en el CU Sounding Rocket Laboratory (CUSRL). Allí descubrieron un interés común por las turbomáquinas y comenzó la aventura conjunta. "Zach me enseñó su presentación de ingeniería y me quedé asombrado de lo técnicamente avanzada que era", explica Watson. "Zach es como un monstruo. Esa energía me atrajo al proyecto y sentí que podíamos conseguir cualquier cosa en ese momento".
La admiración era mutua. "Patrick intervino en la navidad de 2021", explica Lesan. "Me enteré de que trabajaba en turbo maquinaria gracias a sus prácticas en Launcher una empresa de Vast. Eso sentó las bases de nuestra colaboración. A principios de 2022, Patrick fue aprendiendo más y más sobre mi diseño inicial, y ese año se hizo cargo por completo del proyecto en lo que respecta a la fabricación de piezas y la colaboración con socios. Se encargó de los planos, los documentos de fabricación, el CFD y las entregas finales", explica Lesan.
El impulso hacia la consolidación de las piezas
En los últimos cinco años se han producido enormes avances en la tecnología y cohetes aeroespaciales. Tanto los ingenieros independientes como las empresas comerciales trabajan en diseños de cohetes de una sola pieza y enfoques de fabricación consolidados. El objetivo es depender menos de procesos como mecanizado, fundición, soldadura y las técnicas de unión tradicionales que frenan el rendimiento funcional, disminuyen la confiabilidad y son fuente de una cadena de suministro cada vez más escasa. Lesan y Watson también adoptan estos objetivos.
"Muchas empresas funden sus piezas", afirma Watson. "El verdadero gran avance en turbo maquinaria para el espacio o la energía es la impresión 3D de metales, sobre todo la fusión por cama de polvo láser (LBPF). Hoy podemos imprimir las geometrías que queremos, repetir los diseños, obtener las superficies que necesitamos y utilizar el mecanizado de forma más selectiva. La impresión metálica en 3D hace posible nuestro proyecto. Zach y yo utilizamos nuestros sueldos de becarios para financiar lo que no obteníamos de fondos. Imagínanos gastando miles de dólares en mecanizar piezas tradicionales o eliminar estructuras de soporte".
Los objetivos académicos del motor Reaper (llamado así por un pimiento picante de Carolina del Sur), eran explorar medios ágiles y más económicos de fabricación de cohetes. Tanto Zach como Patrick comprendieron que el éxito de este proyecto y, en cierta medida, la naturaleza de sus futuras carreras aeroespaciales, dependían de la reducción del costo de los vuelos espaciales.
Todas las piezas de Reaper se imprimieron en 3D en una única placa de construcción
Los beneficios de manufactura aditiva informan al diseño
Con sus primeros estudios sobre cohetes de estado sólido en la adolescencia y tantos datos sobre turbobombas en la mano desde los años sesenta, Lesan tenía lo básico para el trabajo de diseño que iba a emprender en CU Boulder. Ahora necesitaba crear su propio modelo MethaLOX (metano y oxigeno liquido), uno que aprovechara las ventajas de la manufactura aditiva de metales. Ésta era la única distinción que creía que podía hacer. Las turbobombas son algo conocido. Lesan no esperaba mejorar su rendimiento, pero quizá con la manufactura aditiva él y Watson podrían reducir costos y mejorar la confiabilidad de los sistemas existentes.
La consolidación de piezas sirve para aumentar la calidad al eliminar las interfaces de sellado de los componentes, una fuente histórica de fallos. Las turbobombas llevan mucho tiempo utilizando juntas para unir sus secciones. A pesar de los avances generacionales, las juntas siguen siendo un área de riesgo dadas las elevadas presiones de fluido y gas que intervienen en las unidades de bomba y turbina.
"Al reducir al mínimo el número de piezas, nos hemos librado de muchos posibles fallos tradicionales", afirma Lesan. "El problema de la manufactura aditiva es la porosidad y la verificación de las piezas. Podemos consultar los reportes de fabricación en el equipo Velo3D y ver que no hay errores en el proceso que afecten a la calidad".
"Hay algunas piezas que tuvimos que comprar o fabricar convencionalmente", dijo Watson. "Las piezas compradas son cojinetes, juntas y fijaciones para unir las secciones de las bridas. Pero, por lo demás, el objetivo era crear un sistema fácil de usar y de bajo costo, que evitara los problemas de ajuste mediante piezas combinadas. También hay una cuestión de seguridad", señala Watson. "Las juntas interiores del propulsor, fabricadas como una sola pieza, se salen de la norma. Al utilizar un sistema de purga de nitrógeno, que se imprime integralmente en toda la carcasa de la turbobomba del Reaper, eliminamos eficazmente las posibilidades de que los propulsores se mezclen y provoquen un fallo catastrófico. Podemos reducir las pérdidas por fugas, evitar problemas de rendimiento e incluso explosiones. Una sola pieza producida por manufactura aditiva, con ángulos de voladizo y enfoques desafiantes, logra este objetivo".
Ayuda de socios
El rápido camino de Lesan y Watson hacia el desarrollo de cohetes contó con la ayuda de muchos que comparten su pasión por el espacio. Del programa Bolder Aerospace de la CU participaron el profesor John Farnsworth, y Cameron Micksch y Paul Wingrove, del laboratorio de mecanizado de la universidad.
La industria privada aportó software, servicios, piezas y asesoramiento. El equipo central de dos personas imprimió por manufactura aditiva de metales de Velo3D, utilizó el software de diseño crítico y la ayuda continua de CFturbo, los servicios de mecanizado de Silicon Valley Elite Manufacturing y EMP. También recibieron juntas de Gallagher Fluid Seals e instrumentación de Kulite y Omega. Asesoramiento informal de ingenieros de sus empresas de prácticas, SpaceX y Launcher, así como de Ursa Major y de Andrew Mitchell, anteriormente en Masten Space Systems, ahora Astrobotic.
"El alcance de la colaboración industrial que han creado Zach y Patrick es realmente impresionante", afirma Sid Raje, director de cuentas de desarrollo empresarial de Velo3D. "Se han basado en la propulsión MethaLOX con oxígeno líquido y metano, pero destaca el uso que han hecho de la manufactura aditiva de metales avanzada para la consolidación de piezas y geometrías, superficies y voladizos exigentes. La reducción de los costos de post procesado y la mejora de la confiabilidad del sistema es una lección que ellos y otros llevarán adelante".
Una vez concluidas sus prácticas industriales en SpaceX, Lesan se incorpora al servicio militar como subteniente de las Fuerzas Espaciales. Watson está terminando la última etapa de su licenciatura con un trabajo esperándole en Launcher Space (una empresa de Vast). Muchas manos y muchas mentes seguirán terminando el Reaper con el objetivo de volar a la línea Karman a 100 kilómetros.
Fuente: Velo 3D
