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La firma Launcher confía en Velo3D para imprimir en 3D componentes de cohetes para sistemas de lanzamiento de satélites pequeños de bajo costo

El vehículo y la plataforma de transferencia de satélites Orbiter de Launcher 

El vehículo y la plataforma de transferencia de satélites Orbiter de Launcher, impulsados por motores impresos en 3D, se unirán por primera vez a SpaceX este otoño; en 2024, el cohete Launcher Light de la empresa impulsará de forma independiente el Orbiter al espacio y lanzará satélites por sí mismo.

El primer satélite orbital se lanzó en octubre de 1957. Sesenta y cinco años después, hay más de 5,000 satélites en servicio, de los cuales aproximadamente la mitad se han puesto en órbita terrestre baja (LEO) en los últimos dos años. Gran parte de esta actividad, aunque no toda, es cortesía del empresario Elon Musk, cuya constelación de satélites de Internet Starlink, lanzada por SpaceX, pronto representará al menos la mitad de los objetos que rodean nuestro planeta.

"No creemos que este rápido crecimiento sea una anomalía", afirma Max Haot, fundador y director general de Launcher Inc, una empresa aeroespacial de Hawthorne, California. "Creemos que es el principio de lo que está por venir. De hecho, habrá cientos de miles de pequeños satélites en órbita en la próxima década".


Tomando un aventón

Haot planea ser una parte importante de lo que él denomina una revolución de los pequeños satélites. A finales de este año, Launcher aprovechará el programa SmallSat Rideshare de SpaceX para llevar su plataforma y vehículo de transferencia de satélites Orbiter al espacio, donde pondrá hasta 400 kg de CubeSats y pequeños satélites por misión y los colocará en la órbita que deseen sus propietarios. Y a partir de 2024, la empresa empezará a ofrecer su propio servicio de lanzamiento -Launcher Light-, un cohete de combustible líquido de 15.2 metros de largo y 1.1 de diámetro que transportará cargas de 150 kg y 105 kg a nivel órbita terrestre baja y órbita sincrónica solar respectivamente.


El Orbiter es lo mejor del diseño de tres etapas del cohete, explicó Haot, y, de forma un tanto irónica, se suponía que era la última parte del vehículo en ser desarrollada. Pero cuando SpaceX anunció a principios de 2020 que empezaría a vender espacio de carga útil en su cohete Falcon 9, Haot y el equipo de Launcher se dieron cuenta de que podían hacer que su sistema de satélites fuera compatible con él y con otras plataformas de lanzamiento y decidieron acelerar esa parte del proyecto.

"Viendo la oportunidad de dar a nuestros clientes lo mejor de ambos mundos, hemos llevado a Orbiter como primer paso", dijo. "Al mismo tiempo, seguimos trabajando en las estructuras mecánicas del Launcher Light, la forma y, quizá lo más importante, el motor, todo ello en preparación de su primer vuelo comercial en 2024. Así que ha sido un año muy emocionante, con el 80% de la capacidad de fabricación de la organización centrada en la construcción de nuestro primer Orbiter, que volará en octubre de este año."


Lanzamientos menos costosos

El objetivo de todo esto, por supuesto, es hacer más fácil y accesible el despliegue de satélites. Entre el programa RideShare de SpaceX y el vehículo de transferencia Orbiter de Launcher, la empresa pronto podrá colocar cargas útiles en ciertas órbitas por poco más de 8,000 dólares por kilogramo. "Estos viajes compartidos se producen cada tres meses, pero si el momento o la trayectoria de SpaceX no satisfacen los requisitos de nuestros clientes, también tendremos un servicio de lanzamiento premium a través de nuestra oferta de Launcher Light", menciona Haot. "En cualquier caso, estos servicios tienen un precio sin precedentes en la industria espacial".

Haot y Tim Berry el jefe de fabricación de Launcher, se apresuran a señalar que nada de esto habría sido posible sin los componentes metálicos de manufactura aditiva, los cuales se produjeron en un sistema de impresión 3D Sapphire de Velo3D, con sede en Campbell, California.

"La Velo Sapphire, con su capacidad de imprimir 3D de forma confiable geometrías irregulares, nos facilitó mucho el cambio de prioridades", señala Berry. "Esa es una ventaja de la tecnología aditiva en general, pero especialmente cuando se utiliza una plataforma de impresión de gran capacidad".

Cuatro de los motores Orbiter de Launcher

Cuatro de los motores Orbiter de Launcher, fabricados con la tecnología aditiva de Velo3D. Toma una semana desde el diseño CAD hasta la prueba de lanzamiento.


Antes de unirse a Launcher, Berry trabajó en SpaceX durante casi una década. Durante este tiempo, dirigió el equipo de integración de la segunda etapa del Falcon 9, seguido de funciones de liderazgo en las cápsulas de tripulación y carga de la Dragon, antes de pasar a dirigir la manufactura aditiva. En la actualidad, supervisa la planta de fabricación de Launcher, de 24,000 pies cuadrados, y su equipo de mecánicos, soldadores y técnicos, así como la pequeña flota de impresoras 3D de metal de la empresa, entre las que destacan los sistemas Sapphire de Velo3D.


Afrontar el reto

Como se ha señalado anteriormente, Launcher comenzó sus esfuerzos de desarrollo más recientes con el Orbiter en lugar de la etapa principal del cohete que lo llevaría al espacio. Y como ningún cohete vuela sin un motor, Launcher adquirió la licencia del dibujo de una turbobomba probada en el espacio, y luego se dedicó a mejorar su diseño utilizando la tecnología de manufactura aditiva.

Por desgracia, ningún proveedor de equipos de manufactura aditiva metálica podía producir muchos de los componentes necesarios. Un ejemplo notable es el impulsor del motor, una pieza de material Inconel crítica y compleja que gira a 30,000 rpm, debe soportar más de 300 bares de presión de salida y está llena de superficies de ángulo de cero grados difíciles de imprimir. Según Berry, "El equipo de Velo3D aceptó el reto y acabamos con una pieza terminada que superaba todos nuestros objetivos de rendimiento. Ese fue el comienzo de nuestra relación".

Esa relación continúa hasta hoy. Antes de invertir en su propio equipo de manufactura aditiva y otra maquinaria para trabajar el metal, Launcher subcontrataba la mayoría de sus piezas a la red de fabricantes de servicios de Velo3D. Y aunque esas empresas hacían un buen trabajo, Haot sabía que nunca alcanzaría su objetivo de una fabricación rápida, flexible y, sobre todo, competitiva en costos, a menos que Launcher se integrara lo más verticalmente posible.

"Como empresa moderna espacial, tenemos varios objetivos importantes", dijo. "El primero y más obvio es que Orbiter ofrezca el menor costo del sector y la mayor capacidad de propulsión. Pero para lograrlo, es fundamental contar con capacidades de diseño y fabricación propias. Cada vez que se compra un anillo de separación, un sistema de propulsión o una estructura de soporte a un tercero, los costos y el plazo de entrega se multiplican por diez. Así, en lugar de la semana que tardamos en diseñar un motor, imprimirlo y probarlo, pasaríamos dos o tres meses con un proveedor externo. Es prohibitivo".


Llena el tanque

Berry señaló los depósitos de combustible de uso espacial como un ejemplo típico. "Si buscas un depósito de categoría espacial capaz de soportar 3,000 psi de presión, probablemente oirás tiempos de entrega de ocho meses a dos años, especialmente si son a la medida", comenta. "Eso no es una opción en nuestro entorno, así que, como con muchos de nuestros componentes, adoptamos el enfoque de diseñar basándonos en nuestras herramientas disponibles".

Resulta que los depósitos de 22 litros del Orbiter coinciden exactamente con el volumen de construcción de la impresora 3D Sapphire. Launcher empezó imprimiendo las piezas en material Inconel y, aunque funcionaban bastante bien, Berry y el equipo empezaron a buscar formas de optimizar el diseño. La opción más obvia era pasar al titanio que es más ligero.

depósito de combustible de titanio
Launcher se hizo de un segundo sistema Velo3D Sapphire de metal para titanio, y así poder fabricar un depósito de combustible más ligero que el diseño original que se imprimió en 3D con Inconel. Se muestra un depósito de combustible de titanio recién terminado en la cámara de construcción del equipo Sapphire.


"Eso es lo que nos llevó a tener nuestra segunda máquina de Velo3D", explicó. "Puede imprimir exactamente el mismo tanque, pero con menos peso y mayor capacidad de presión. Ya hemos adelgazado un poco las paredes en comparación con el diseño original, pero una vez que tengamos los primeros lanzamientos en nuestro haber, probablemente las reduciremos aún más a medida que sigamos ampliando los límites."


Aprovechar el éxito

Esa es una de las mayores ventajas de contar con capacidades de impresión 3D internas, señaló, ya que Launcher puede impulsar continuamente diseños más agresivos y un mayor rendimiento sin perder mucho tiempo ni gastar mucho dinero. Por ello, la empresa está imprimiendo en 3D toda una serie de componentes en sus sistemas Sapphire, entre ellos soportes y otras estructuras secundarias, cámaras de combustión e inyectores.

Cuatro inyectores del motor Orbiter, impresos 3D en un sistema Velo3D Sapphire AM.

Cuatro inyectores del motor Orbiter, impresos 3D en un sistema Velo3D Sapphire AM.


"No tenemos que cambiar completamente nuestro diseño para que funcione con la impresora Velo3D", dijo Berry. "Y en la mayoría de los casos, podemos utilizar cualquier geometría que hayamos planeado. No hay necesidad de hacer un montón de compromisos como suele ocurrir con la manufactura aditiva de metal".

Haot se refirió a una de las críticas que él y Berry habían escuchado de otras personas al comprar una impresora 3D. "Algunas personas se quejan de que el sistema Velo es cerrado en cuanto a materiales y ajustes del láser, para mí, eso es más positivo que negativo".

Berry estuvo de acuerdo. "Sí, otras impresoras 3D pueden permitirte jugar más con los parámetros y comprar polvo no aprobado, pero esas actividades llevan tiempo e introducen incertidumbre en el proceso. Como usuario final, no queremos mover parámetros a menos que tengamos que hacerlo, y no necesitamos la molestia de la certificación de materiales. Velo es un sistema llave en mano. Te permite centrarte en la iteración del diseño y dedicar más tiempo a la optimización para tu caso de uso específico, todo lo cual apoya nuestra misión principal de despliegue de satélites de bajo costo. Por eso elegimos Velo3D".

 

Fuente: Velo 3D