En tant que l’un des fournisseurs de solutions d’impression 3D à la croissance la plus rapide pour l’industrie spatiale, VELO3D a aidé de nombreuses startups à adopter la technologie de fabrication additive (AM) pour renforcer leurs opérations de conception et de fabrication. L’une de ces entreprises est Launcher, un développeur de fusées haute performance conçues pour mettre en orbite de petits satellites télécommandés. La clé de la stratégie de Launcher est son moteur E-2 – actuellement en cours de développement – qui devrait être optimisé pour une production de masse et un faible coût.
Considéré par l’entreprise comme le “moteur le plus performant au monde pour les petits lanceurs”, il comporte deux éléments clés : une chambre de combustion et une turbopompe. Launcher a déjà imprimé en 3D la chambre de combustion en une seule pièce. Aujourd’hui, son fondateur et PDG, Max Haot, a annoncé le développement d’une turbopompe à oxygène liquide (LOX) imprimée en 3D, créée à l’aide du logiciel spécialisé d’ingénierie des turbomachines d’Ansys et des solutions d’AM métallique de Velo3D.
Emplacement de la turbine et de la pompe LOX dans le moteur E-2 du lanceur. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Launcher.
Le 19 mai 2021, M. Haot s’est associé à Andre Ivanovic, ingénieur en chef de Launcher, à Sunil Patil, chef des turbomachines d’Ansys, et à Gene Miller, ingénieur d’application principal de VELO3D, pour discuter de la création de pièces de vaisseaux spatiaux efficaces en combinant une conception optimisée et une fabrication moderne. Au cours de cette table ronde d’une heure, les experts ont révélé comment ils ont conçu et imprimé en 3D la pompe LOX de Launcher pour son moteur E-2 et certains des derniers résultats d’essais réussis.
Pour les petits lanceurs, l’amélioration des performances passe souvent par les pompes des turbomachines qui injectent les propergols dans la chambre de combustion. Au cœur de ces turbopompes se trouve une hélice qui fournit le débit et la pression de propergol nécessaires à la chambre de poussée, et sa conception est essentielle pour les performances des pompes. Cela a été considéré comme un grand défi pour l’équipe.
Pour cette tâche, Launcher a d’abord obtenu une licence pour une conception de pompe éprouvée en orbite du moteur de fusée ukrainien à propergol liquide RD-8, qui a été utilisé comme propulseur de deuxième étage du véhicule de lancement Zenit, effectuant 72 vols orbitaux réussis. La pompe héritée a ensuite été redessinée, fabriquée et testée à l’aide d’Ansys et de VELO3D, ce qui a permis de réduire la complexité des pièces, les coûts et les délais.
Le boîtier d’admission de la turbopompe imprimé en 3D. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Launcher.
Après une analyse complète de la conception du chemin d’écoulement à l’aide du logiciel CFX d’Ansys, spécialisé dans les applications de turbomachines, le groupe a travaillé à la simulation des performances du chemin d’écoulement dans la pompe LOX afin de s’assurer que les performances prévues étaient conformes aux paramètres souhaités pour l’ensemble du système de moteur de fusée. Une fois la pièce optimisée et les simulations vérifiées, l’équipe a travaillé avec VELO3D pour produire certains des composants de la pompe LOX, tels que le boîtier d’entrée et de sortie de la pompe. En utilisant Sapphire, un système d’AM métallique conçu pour les applications critiques, ils ont pu livrer des pièces clés en main sans support, ce qui a permis à Launcher de démontrer la réussite des essais avec les premières pièces produites.
La technologie SupportFree brevetée de VELO3D a permis de réaliser la pompe LOX du E-2. Pour des pièces telles que le boîtier d’entrée de la turbopompe, qui amène le flux latéralement et le tourne à 90 degrés pour le diriger vers l’inducteur de la pompe, il existe des géométries internes très complexes avec de faibles angles en surplomb qui sont difficiles à imprimer avec les machines de fusion à lit de poudre traditionnelles. Grâce à l’imprimante Sapphire, les ingénieurs ont pu fabriquer cette pièce avec un minimum de supports, facilement amovibles.
Ivanovic a ensuite décrit le processus d’impression d’une autre pièce de la turbopompe, l’inducteur/impulseur, qui a été imprimé en 3D à plat. L’ingénieur a suggéré qu’il est généralement difficile d’imprimer les turbines à carénage car le carénage supérieur a un très faible surplomb, ce qui rend difficile l’accès aux structures de support. Habituellement, la roue doit être inclinée sur la plaque de construction lors de l’impression, ce qui n’est pas souhaitable car cela entraîne une distribution de masse non uniforme par rapport à l’axe de rotation.
“En imprimant la pièce à plat, nous avons obtenu une belle distribution symétrique de la masse de la pièce par rapport à cet axe de rotation central. C’est idéal pour l’équilibrage après l’impression. L’équilibrage est nécessaire, car si un composant rotatif dans une turbomachine n’est pas équilibré, à chaque rotation, il y aura une grande vibration qui sera transmise au système et aux roulements”, a expliqué M. Ivanovic.
La solution SupportFree de VELO3D pour l’impression 3D de la turbine de Launcher. Image reproduite avec l’aimable autorisation de VELO3D.
Pour M. Haot, le plus grand défi à relever lorsque Launcher a reçu le modèle patrimonial sous licence a été de l’imprimer en 3D. Cependant, bien que la pompe soit dotée d’un design patrimonial, le chemin d’écoulement a été personnalisé grâce à la puissance de simulation d’Ansys. En outre, le groupe s’est vite rendu compte que la technologie sans support de VELO3D était suffisante pour réussir un prototype. Le PDG affirme qu’il s’agit de la première pompe LOX imprimée en 3D pour un moteur de fusée et que leur campagne d’essai complète a été un succès. L’AM métallique élimine les investissements en outillage et crée un flux de travail qui permet des itérations et un développement rapides, a-t-il déclaré.
Une fois que l’équipe a produit les pièces pour la pompe LOX, elle a construit l’article d’essai réel et l’a testé au centre spatial Stennis de la NASA dans le Mississippi, où Launcher a signé un accord Space Act pour utiliser le banc d’essai E-1 du centre pour les essais du moteur.
Turbopompe LOX du E-2 sur un banc d’essai au centre Stennis de la NASA. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Launcher.
“La pompe LOX assemblée et imprimée en 3D a été testée dans une conception prête pour le vol en termes de masse et de spécifications, mais la turbine utilisée pendant les tests était usinée et n’était pas prête pour le vol. La prochaine étape dans le développement de la turbine est un boîtier Inconel imprimé en 3D pour intégrer le chemin d’écoulement qui a été testé “, a déclaré Haot. “Il s’agit du premier test réussi d’une turbopompe par le lanceur, ce qui est très important car il s’agit d’oxygène liquide dans la pompe à 30 000 [tours par minute], soit environ un mégawatt de puissance de la turbine. Dans ce type d’environnement où la pression de refoulement est de 4 000 [livres par pouce carré], toute anomalie – tout frottement entre le rotor et le stator – peut entraîner un démontage immédiat et non planifié.”
Parmi les principaux tests réalisés avec succès avec la première turbopompe LOX imprimée en 3D figure un test de deux minutes à des régimes nominaux avec de l’azote liquide. Ce test de performance de cavitation de 30 secondes a consisté à diminuer la pression d’entrée de la pompe au fil du temps et à voir comment cela affectait la pression de sortie. Ils ont également effectué un test à 33 000 tr/min pendant 30 secondes avec de l’oxygène liquide. Les résultats des tests s’étant déroulés comme prévu, l’entreprise se concentre désormais sur le flux de travail et le coût de l’utilisation de l’impression 3D sans outillage. Le succès total de la campagne de test montre une avancée significative pour sa feuille de route, ainsi que ce qui peut être fait de plus avec Ansys et VELO3D.
La dernière pompe LOX du lanceur a été créée pour le moteur de fusée E-2, qui alimentera également une fusée de conception nouvelle, le Launcher Light. Actuellement en cours de développement et dont le vol d’essai est prévu en 2024, le Launcher Light pourrait entrer en service commercial en 2026. Le nouveau modèle de fusée offrira une capacité de charge utile inférieure à celle du petit lanceur initialement prévu par la startup, le Rocket-1, qui devait permettre de placer jusqu’à 773 kg (1 704 livres) en orbite terrestre basse.
Au lieu de cela, le lanceur Light a une capacité de charge utile de 150 kg en orbite terrestre basse (LEO) et de 100 kg en orbite héliosynchrone (SSO). Une différence majeure réside dans le fait que si Rocket-1 devait utiliser quatre moteurs E-2 dans son premier étage, Launcher Light n’en nécessitera qu’un seul. Le nouveau modèle mesurera 15 mètres de haut et comportera trois étages, contre deux pour le Rocket-1. En outre, le succès de la pompe LOX imprimée en 3D par la société californienne jouera un rôle essentiel dans les performances de ce lanceur.
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