В сто раз проще и в десятки раз быстрее — как 3D-печать совершила переворот в частном освоении космоса

3D-принтеры на порядки облегчили работу инженеров космической отрасли, но это мало кто заметил.

Илон Маск основал компанию SpaceX в 2002 году, а уже через шесть лет она смогла запустить на орбиту свою первую ракету с полезным грузом. Сейчас SpaceX отправляет в космос грузы и людей, включая полностью гражданские экипажи, а также располагает целым парком многоразовой космической техники, вплоть до сверхтяжёлых ракет.

Ресурс The Conversation обратил внимание на одну из главных и малозаметных причин таких быстрых достижений — приход 3D-печати в космическую отрасль.

Жидкостный двигатель F-1, который стоял на тяжёлой «лунной» ракете «Сатурн-5», состоял из 5600 деталей. Многие из них приходили от разных поставщиков, что порождало сложные производственные цепочки. Каждое изменение в конструкции приходилось согласовывать с производителями, после чего ждать новых комплектующих.

Это сильно замедляло процесс, потому что в F-1 из-за его сложности была масса недостатков. Потребовалось 800 испытаний отдельных элементов и 1332 испытания всего двигателя, чтобы довести его до готовности. В результате доработка F-1 затянулась на восемь лет и вместе с проектированием обошлась в четыре миллиарда долларов. Это приемлемо для крупной государственной программы, но не для частной компании.

Ракетные двигатели превращают детонацию тонн горючего в реактивную струю температурой около 3000 ℃. Крайне трудно создать устройство, которое сразу будет нормально работать в таких экстремальных условиях. Взрывы на стадии испытаний — настолько обычное дело, что инженеры называют их не взрывами, а «быстрой внеплановой разборкой». И каждое повторение цикла от изменения конструкции до нового испытания делает создание ракетных двигателей всё более сложным, долгим и дорогим процессом.

Самое очевидное решение — сократить количество деталей и упростить конструкцию двигателя, чтобы избавиться от большинства сторонних поставщиков и ускорить цикл разработки. Лучший способ добиться этого — использовать 3D-печать, которая в корне меняет производственный процесс.

Традиционное производство создаёт детали, удаляя из заготовки лишний материал — в данном случае, металл. 3D-печать создаёт деталь по обратному принципу — добавляя металл небольшими порциями. Принтер укладывает металлический порошок и спекает его лазером, после чего укладывает новый слой порошка. Таким способом можно печатать и детали для ракетных двигателей, используя жаростойкие сплавы Inconel из никеля и хрома.

Это кардинально упрощает и ускоряет процесс. Во-первых, любую деталь или даже набор одинаковых деталей можно сделать за считанные дни — своими силами, без сторонних поставщиков. В случае очередной «быстрой внеплановой разборки» инженеры могут тут же переделать детали с помощью программы для 3D-моделирования и напечатать их.

Во-вторых, такой подход позволяет проектировать и печатать большие цельные компоненты вместо множества мелких частей. Это снижает массу и сложность ракеты, а также повышает её надёжность — в конструкции становится меньше болтов, гаек, винтов и сварных швов.

Поэтому частные космические предприятия либо переходят на 3D-печать, либо уже перешли. Например, Rocket Lab печатает на 3D-принтере двигатели для своих ракет, на которых запускает малые спутники из Новой Зеландии. Компания Relativity Space использует «Звёздные врата» — крупнейшую в мире установку для 3D-печати из металла. Цель компании — напечатать на ней всю ракету целиком.

SpaceX также печатает на 3D-принтерах детали для своих ракет. Ещё в 2013 году компания производила таким способом камеры сгорания двигателя для космического корабля Dragon, чтобы ускорить испытания. Первой напечатанной деталью, полетевшей в космос, стал главный клапан окислителя ракетного двигателя Falcon 9 в начале 2014 года. По словам инженеров SpaceX, 3D-печать сэкономила массу времени — клапан произвели меньше чем за два дня. Традиционное литьё заняло бы несколько месяцев.

#космос #spacex #nasa