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Eplus3D e UCL Rocket sviluppano e testano con successo un motore a razzo e un iniettore a vortice raffreddati in modo rigenerativo

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Notizie aziendali

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Introduzione: Eplus3D, in collaborazione con l'University College London (UCL) e il team UCL Rocket guidato dagli studenti, ha progettato e prodotto con successo Excelsior, un motore a razzo bipropellente a raffreddamento rigenerativo per il concorso britannico Race 2 Space 2025. Realizzato in AlSi10Mg utilizzando il Laser Powder Bed Fusion (LPBF) sul sistema quad-laser EP-M400S, il progetto ha dimostrato come la produzione additiva consenta canali di raffreddamento avanzati, funzioni integrate e uno sviluppo rapido. In qualità di partner tecnico, Eplus3D ha fornito consulenza sui processi e l'esecuzione della produzione per i complessi componenti della camera di spinta e dell'iniettore di Excelsior. Excelsior ha raggiunto l'obiettivo di spinta di 5 kN durante i test a caldo, classificandosi al quarto posto nella categoria dei motori a bipropellente nitroso ed è stato uno dei soli otto motori su diciassette a sopravvivere a tutti i test.

Razzo UCL: L'UCL è un'università top 10 a livello mondiale situata nel cuore di Londra, rinomata per la ricerca e l'istruzione di livello mondiale. All'UCL Mechanical Engineering, la ricerca è guidata dall'ambizione di affrontare alcune delle sfide più urgenti della società, dallo sviluppo di sistemi di propulsione di nuova generazione per sostenere la decarbonizzazione dei trasporti, alla progettazione di dispositivi medici che migliorano le cure dei pazienti e la qualità della vita.

Al centro dell'insegnamento di Ingegneria Meccanica dell'UCL c'è il MechSpace, una suite dedicata di laboratori didattici e officine dove gli studenti fanno esperienza pratica di progettazione e prototipazione. Che si tratti di corsi o di progetti extracurriculari guidati dagli studenti, come quelli dei sei team UCL Racing (UCLR), MechSpace fornisce agli studenti gli strumenti e l'ambiente per innovare e collaborare in un'ampia gamma di settori, tra cui la missilistica, i droni, i rover autonomi, i sottomarini e le auto di Formula Student. Questa enfasi sull'ingegneria pratica si riflette nel successo costante all'Institute of Mechanical Engineers (IMechE) Design Challenge, dove gli studenti del primo anno dell'UCL hanno vinto il titolo nazionale per quattro anni consecutivi - e puntano alla quinta vittoria consecutiva nel corso di quest'anno. Eplus3D si è unita al progetto come partner tecnico di produzione, fornendo consulenze sulla progettazione per la produzione additiva ed eseguendo la costruzione dell'LPBF presso il suo stabilimento tedesco.

Sfide tecniche: Il progetto ha presentato diverse sfide tecniche. Le temperature nella camera di combustione superavano i 2.500 K, richiedendo una solida strategia di raffreddamento per evitare la rottura dei materiali. Il progetto prevedeva cinquantotto canali interni per il refrigerante, elementi coassiali per gli iniettori di vortici e tolleranze dimensionali ristrette che richiedevano capacità produttive avanzate. La selezione dei materiali doveva bilanciare conducibilità termica, resistenza meccanica, densità e lavorabilità, mentre il processo di produzione doveva essere rapido ed efficiente in termini di costi per rispettare i tempi limitati del progetto studentesco.

Design e prestazioni del motore: Il motore Excelsior utilizza l'alcol isopropilico (IPA) come combustibile e refrigerante e il protossido di azoto (N₂O) come ossidante. È progettato per una spinta target di 5 kN, una pressione di camera di 25 bar e un impulso specifico teorico di 204 secondi. Il motore è stampato in due parti: il gruppo della camera di spinta, che comprende la camera e l'ugello, e l'iniettore coassiale a vortice. Questi sono uniti da una flangia imbullonata con guarnizioni O-ring in Viton per un funzionamento senza perdite.

L'iniettore coassiale a vortice incorpora quindici elementi. Ogni elemento è dotato di un orifizio interno che eroga N₂O in senso assiale nella camera, circondato da un orifizio esterno che inietta IPA in un foglio conico vorticoso. Questo movimento vorticoso è ottenuto attraverso tre porte di ingresso tangenziali che alimentano una camera a vortice a monte dell'orifizio, impartendo un'elevata velocità tangenziale per una rapida atomizzazione. La geometria è stata ottimizzata utilizzando il modello LISA (Linearised Instability Sheet Atomisation) per massimizzare la rottura delle gocce mantenendo un funzionamento stabile. È stata inoltre eseguita una modellazione della risposta dinamica per garantire che il comportamento dell'iniettore sotto le oscillazioni di pressione non coincidesse con le modalità di risonanza acustica del motore, che potrebbero causare instabilità della combustione.

Strategia di raffreddamento avanzata: Per sopravvivere a flussi di calore elevati, Excelsior utilizza un triplo sistema di raffreddamento. Il raffreddamento rigenerativo fa circolare l'intero flusso di 0,59 kg/s di IPA attraverso un collettore di aspirazione stampato all'uscita dell'ugello e in cinquantotto canali di raffreddamento assiali a passaggio singolo integrati nelle pareti del motore. Il raffreddamento a film è assicurato da quindici orifizi da 0,6 mm lavorati sulla faccia dell'iniettore, che dirigono il dieci per cento del flusso di IPA lungo la parete della camera per formare un film liquido protettivo. Infine, un rivestimento di barriera termica in ceramica Zircotec ThermoHold® H2000 a base di zirconia viene spruzzato al plasma sulla parete interna, riducendo il flusso di calore e attenuando lo stress termico, in particolare in corrispondenza della gola, la regione più critica del motore.

Selezione del materiale
L'AlSi10Mg è stato scelto rispetto alle leghe aerospaziali tradizionali, come l'Inconel 718 e il CuCrZr, per la sua elevata conducibilità termica, pari a circa 165 W/m-K dopo lo stress relief, che consente un rapido trasferimento di calore al liquido refrigerante. La sua bassa densità, pari a 2,7 g/cm³, consente un notevole risparmio di peso e la sua lavorabilità favorisce una finitura efficiente delle superfici di tenuta e degli elementi di precisione. Il principale inconveniente dell'AlSi10Mg è la riduzione della resistenza allo snervamento a temperature elevate prossime ai 600 K, che ha reso necessaria un'analisi dettagliata delle sollecitazioni termomeccaniche per verificarne la sopravvivenza.

Produzione su EP-M400S
Il processo di fabbricazione è stato eseguito sul sistema LPBF quad-laser EP-M400S, dotato di quattro laser da 700 W. È stato utilizzato uno spessore di 60 µm per ottenere una risoluzione fine del canale interno e le superfici lisce necessarie per le prestazioni dell'iniettore. L'esperienza e i contributi di Eplus3D nel settore DfAM hanno garantito l'ottimizzazione del progetto per la stampabilità, riducendo al minimo il rischio di difetti e i requisiti di post-elaborazione. La stampa del motore come due assiemi integrati ha permesso di ridurre notevolmente il numero di pezzi e la complessità dell'assemblaggio rispetto ai metodi di produzione convenzionali.

Test e risultati: Il primo motore a raffreddamento rigenerativo di UCL Rocket, Excelsior, è stato avviato con successo presso Airborne Engineering Ltd. per la Race 2 Space 2025, resistendo a tre test di accensione a caldo per raggiungere la spinta target di 5 kN.

Test 1: i punti salienti:

- Raggiunta la portata massica IPA target.
- Raggiunto il 90% della portata massica target di N2O; la pressione del serbatoio è stata aumentata per ottenere una maggiore portata massica per i test successivi.
- Le perdite di pressione medie dall'ingresso del carburante all'iniettore sono state misurate a 0,9 bar, entro il 6,6% delle previsioni della simulazione CFD.
- Lievi perdite di IPA e N2O dovute a guarnizioni difettose (sostituite dopo il test).

Punti salienti della prova 2:
- Portata massica di N2O raggiunta.
- Blocco parziale negli orifizi degli iniettori IPA da 0,84 mm a causa di trucioli residui nel collettore dell'iniettore. L'ostruzione è stata eliminata a metà della combustione.

Punti salienti del test 3:
- Le portate di massa di IPA e N2O sono aumentate proporzionalmente per raggiungere la spinta target di 5 kN, con un picco medio di 4,92 kN negli ultimi 100 ms della combustione.
- La massima portata di massa di N2O possibile è stata raggiunta entro i limiti del sistema di alimentazione.
- Raggiunto un impulso specifico massimo di 174,47 s e un'efficienza c* dell'85,66%, la migliore di tutti e tre i test.

Nella competizione, Excelsior si è piazzato al quarto posto nella categoria bipropellente nitroso ed è stato uno dei soli otto motori su diciassette a sopravvivere a tutti i test di combustione a caldo. Il progetto ha messo in luce diversi insegnamenti chiave, tra cui l'importanza di una pulizia accurata per prevenire l'ostruzione degli iniettori, la necessità di soluzioni di tenuta affidabili e la capacità del LPBF di consentire uno sviluppo rapido di hardware aerospaziale ad alte prestazioni in un ambiente guidato dagli studenti.

Il successo di Excelsior dimostra che l'LPBF avanzato in AlSi10Mg può produrre motori a razzo a raffreddamento rigenerativo ad alte prestazioni entro i limiti di un progetto universitario. Combinando progettazione innovativa, produzione ottimizzata e test rigorosi, la collaborazione tra Eplus3D e UCL Rocket dimostra come la produzione additiva possa accelerare lo sviluppo della propulsione aerospaziale.