Напечатанное на 3D-принтере ракетное топливо успешно прошло испытания при давлении 124 атмосфер – технология может сделать ракеты легче и дешевле

Chromatic 3D Materials, специализирующаяся на передовых материалах для 3D-печати, объявила об успешных статических огневых испытаниях ракетного топлива, изготовленного с помощью аддитивного производства.

Тесты проводились на полигоне Integrated Solutions for Systems (IS4S) в Опелике, штат Алабама. Результаты показали, что напечатанное топливо выдерживает давление горения более 124 атмосфер без разрушения структуры.

Голографическая 3D-печать позволила создавать объекты менее чем за секунду

В компании назвали разработку "критическим шагом в развитии устойчивого производства двигательных систем нового поколения для ракет и оборонных задач".

Ракетное топливо в целом делится на несколько типов по физическому состоянию: жидкое, твёрдое, гибридное и газообразное. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Твёрдое топливо привлекает простотой и постоянной готовностью к использованию, хотя уступает жидкому в эффективности и управляемости.

Ракеты на твёрдом топливе можно хранить полностью заправленными и готовыми к пуску, в отличие от жидкостных или газовых систем, требующих заправки перед стартом.

Кроме того, твёрдое топливо не нуждается в смешивании компонентов в реальном времени, что исключает сложные подвижные элементы вроде клапанов, трубопроводов и насосов. Более того, заправленные ракеты могут храниться десятилетиями и при этом надёжно срабатывать. Именно эти свойства делают твёрдое топливо единственным выбором для баллистических ракет и межконтинентальных баллистических ракет.

Традиционный процесс изготовления твёрдотопливных ракет выглядит так: топливную смесь из горючего, окислителя и связующего вещества замешивают в густую массу, заливают в готовый корпус ракеты и запекают от нескольких дней до нескольких недель. В центр формы перед заливкой устанавливают металлический стержень, называемый оправкой, который после затвердевания извлекают, оставляя полый канал для камеры сгорания.

Этот метод используется уже более 60 лет и имеет ряд существенных недостатков. Несмотря на высокую точность процесса, он не исключает появления микроскопических воздушных пузырей или трещин вблизи корпуса, способных привести к взрыву при запуске или в полёте.

Отдельная проблема связана с оправкой. Заливка вокруг стержня с последующим его извлечением – довольно грубый метод по современным стандартам. Он может вызывать трещины, а главное – серьёзно ограничивает возможные формы внутреннего канала. Это критически важно, ведь именно форма канала определяет характеристики тяги и скорость горения. Наконец, процесс запекания и отверждения энергозатратен и занимает дни или недели.

Технология Chromatic 3D Materials решает все эти проблемы и предлагает дополнительные преимущества. Решение компании представляет собой полный стек, включающий как передовые материалы, так и технологию печати, необходимую для 3D-производства ракетного топлива.

Ранее Chromatic разработала проприетарную платформу Reactive Extrusion Additive Manufacturing (RX-AM), основанную на химических реакциях и предназначенную для 3D-печати прочных эластомерных материалов. В отличие от стандартного метода послойного наплавления, где пластик расплавляется, платформа RX-AM подаёт химическую смесь, которая вступает в реакцию и затвердевает практически мгновенно при нанесении.

Вторая и, возможно, ключевая часть прорыва – сам материал. Chromatic не изобретала ракетное топливо заново.

Вместо этого компания взяла существующие связующие вещества из стандартного ракетного топлива и модифицировала химический состав так, чтобы смесь оставалась жидкой в принтере, но затвердевала на выходе. По сути, инженеры адаптировали уже проверенные материалы для процесса RX-AM.

Этот подход открывает новые возможности. В твёрдотопливной ракете форма полого канала в центре топливного заряда определяет характер горения и создаваемую тягу.

3D-печать позволяет создавать "невозможные" внутренние геометрии, которые нельзя получить с помощью литья в форму. Это потенциально ведёт к ракетам с большей дальностью полёта или повышенной эффективностью.

3D-печать топлива также устраняет длительное время отверждения и необходимость в сложной оснастке, характерных для традиционного производства. Это делает выпуск ракет быстрее и гибче, что особенно ценно для оборонных цепочек поставок.

Хотя различные методы 3D-печати уже доказали способность соответствовать прочностным характеристикам изделий, произведённых традиционными способами, оставались сомнения в том, выдержит ли напечатанное топливо колоссальное давление при запуске.

Недавние испытания развеяли эти опасения. По данным Chromatic, "топливо достигает уровней энергетической загрузки, сопоставимых с лучшими образцами обычного топлива, обеспечивая при этом структурную целостность, необходимую для работы в условиях высокого давления горения".

Помимо соответствия возможностям традиционных двигательных систем, технология Chromatic открывает новые возможности производительности. Интеграция топлива непосредственно в конструктивные элементы позволяет снизить избыточную массу, создавать более эффективные внутренние геометрии и точно настраивать характеристики тяги способами, которые сложно или невозможно реализовать традиционными методами.

Фанат Skyrim напечатал на 3D-принтере полный набор оружия в натуральную величину

Теперь любой желающий может напечатать подвижного Рокки из "Проект "Аве Мария" на 3D-принтере – вышла бесплатная модель

Ещё одна перспективная возможность – печать разных типов топлива в одной ракете для варьирования скорости и тяги на различных этапах полёта. Результатом может стать создание более лёгких двигательных систем с повышенной производительностью, увеличенной дальностью и большей операционной гибкостью.

Однако, несмотря на успешные испытания, нет никакой гарантии, что технология найдет широкое применение, так как минус подобного подхода в одноразовом использовании, тогда как мир уже активно переходит на многоразовое использование ракет.