El éxito del vehículo de lanzamiento reutilizable SpaceX Falcon 9 ha sido uno de los logros tecnológicos más notables de la última década. Impulsado por el motor Merlin de SpaceX, el propulsor Falcon 9 se puede reutilizar más de 10 veces, con un mantenimiento mínimo entre vuelos.
Ahora existe una nueva generación de motores y vehículos de cohetes reutilizables que prometen cargas útiles mucho mayores y una mayor reutilización. A diferencia del Falcon 9, la nave espacial SpaceX de 390 pies de altura, propulsada por sus nuevos motores Raptor, puede aterrizar tanto el propulsor como la segunda etapa para su reutilización, reduciendo así aún más los costos de lanzamiento. Blue Origin tiene su propio motor BE-4 de próxima generación que impulsará su vehículo de lanzamiento New Glenn de 320 pies.
"Es probable que la nueva clase de vehículos de lanzamiento reutilizables transforme la industria espacial al reducir los costos de lanzamiento y mejorar la accesibilidad al espacio", dice Zack Cordero, profesor asistente de desarrollo profesional de Aeronáutica y Astronáutica en el MIT Esther y Harold E. Edgerton. “Esto permitirá aplicaciones como megaconstelaciones para Internet espacial y sensores espaciales para cosas como CO persistente en tiempo real.2 monitoreo de emisiones”.
Sin embargo, los fallos en el lanzamiento, como la explosión en abril de 2023 del prototipo Starship de SpaceX, sugieren que los nuevos diseños todavía tienen importantes problemas de confiabilidad. En la explosión de Starship, aproximadamente seis de los 33 motores Raptor en la etapa de propulsión parecen haber fallado. En junio, el motor BE-4 de Blue Origin explotó durante las pruebas de aceptación, lo que sugiere que el motor sufre desafíos similares.
"La gente supone que Starship va a tener éxito, pero eso no es necesariamente cierto", dice Cordero. "Existe un riesgo real, aunque subestimado, de que estos nuevos vehículos de lanzamiento de carga pesada sigan fallando a menos que haya avances fundamentales en la tecnología de materiales".
El Cordero Lab, con sede en el Laboratorio de Estructuras y Materiales Aeroespaciales del MIT, ha aceptado este desafío con una variedad de proyectos que apuntan a resolver el problema de confiabilidad a nivel de materiales. Al trabajar con socios como la NASA, que planea utilizar Starship para sus misiones Artemis tripuladas a la luna, Cordero está aprovechando su experiencia en fabricación aditiva (AM), ciencia de procesamiento, ingeniería de materiales y diseño estructural. El objetivo es reducir los costos de mantenimiento y extender la vida útil de los cohetes reutilizables, al tiempo que se reduce la posibilidad de fallas catastróficas.
La investigación de cohetes reutilizables es sólo uno de varios proyectos de Cordero Lab para abordar aplicaciones aeroespaciales emergentes. Cordero también está desarrollando tecnologías para la fabricación en el espacio de estructuras espaciales más grandes, como células solares, velas solares y reflectores, gracias a las mayores cargas útiles de los cohetes reutilizables de carga pesada. La novedosa técnica de fabricación de Cordero utiliza la deformación plástica para doblar materia prima metálica en estructuras reticuladas en forma de red. Luego, estas estructuras pueden contornear con precisión una superficie reflectora utilizando actuadores electrostáticos integrados.
Cohetes reutilizables más grandes = mayores desafíos de confiabilidad
A diferencia de los cohetes tradicionales y prescindibles, los vehículos de lanzamiento reutilizables deben integrar componentes y elementos de diseño que permitan a los vehículos maniobrar automáticamente para un aterrizaje suave. También requieren una mayor protección térmica para soportar el calentamiento aerotérmico extremo durante el reingreso.
"Los dispositivos de propulsión deben diseñarse de manera diferente para los cohetes reutilizables", dice Cordero. "Con los motores de cohetes de propulsor líquido reutilizables, se debe garantizar una operación segura durante múltiples ciclos de vuelo y reducir el rendimiento para reducir el estrés".
Los cohetes reutilizables más grandes y potentes hacen que estas adiciones de diseño sean aún más desafiantes. "Los motores Raptor de SpaceX y BE4 de Blue Origin funcionan con ciclos de potencia diferentes en comparación con el motor Merlin", dice Cordero. “Los nuevos ciclos de energía de combustión por etapas son más susceptibles de reutilización porque reducen las temperaturas de entrada de la turbina para extender la vida útil del hardware de la turbina. Sin embargo, los nuevos ciclos de energía plantean un mayor riesgo de fallas catastróficas. La compatibilidad del oxígeno y los incendios de metales representan desafíos críticos”.
Cordero intenta reforzar los componentes que limitan la vida útil de un motor cohete reutilizable, empezando por la turbobomba que presuriza el propulsor líquido. Otros componentes vulnerables incluyen la cámara de empuje en la que se queman los propulsores para crear un gas caliente, así como la boquilla a través de la cual se expulsa el gas.
El desgaste prolongado de turbobombas, cámaras y boquillas no siempre termina en una explosión catastrófica. Sin embargo, aumentan los costos de mantenimiento y reparación que se tienen en cuenta en los costos generales de la carga útil de lanzamiento.
"Existe un amplio espectro de comportamientos fallidos", dice Cordero. “Las cámaras de empuje pueden empezar a agrietarse pero siguen funcionando. Sin embargo, las turbobombas pueden tener problemas más graves. Podría haber una falla del blisk (un tipo de disco del rotor) o, en el caso de turbobombas ricas en oxígeno, un roce entre el rotor y la carcasa. Los nuevos motores también son vulnerables a la ignición por impacto de partículas en la que los FOD (objetos y desechos extraños) se aceleran hacia una superficie, encendiendo el hardware. En una turbobomba, estos modos de encendido pueden provocar un incendio de metal y un modo de falla catastrófico en un solo punto que resulta en la explosión del vehículo”.
El creciente papel de la AM en cohetes reutilizables
La fabricación aditiva se utiliza ahora ampliamente en la industria espacial, incluida la impresión de piezas para vehículos de lanzamiento con impresoras de fusión por láser. “El espacio es probablemente el mayor usuario de fabricación aditiva metálica y básicamente está dictando los desarrollos tecnológicos”, dice Cordero.
La AM se utiliza con frecuencia para imprimir dispositivos de propulsión metálicos, como las pequeñas bombas utilizadas en los motores de los generadores de gas. Sin embargo, sólo se utiliza selectivamente en motores de etapa de impulso más grandes y sus turbobombas.
“Existe un debate sobre si la impresión 3D en metal de grandes estructuras es económica”, afirma Cordero. Sin embargo, los protocolos mejorados de control de calidad y calificación han permitido un mayor uso en grandes dispositivos de vuelo de misión crítica. El siguiente paso es desarrollar materiales novedosos que mejoren la fiabilidad.
"Estamos desarrollando avances materiales que deberían permitir un mayor uso de AM para turbobombas más grandes", dice Cordero. "Nuestra tecnología permite diseños novedosos con eficiencia térmica mejorada o resistencia contra altas temperaturas o transitorios térmicos rápidos".
Un desafío crítico para los motores de combustión por etapas de flujo total (Raptor) y de combustión por etapas ricos en oxígeno (BE-4) es el problema de la compatibilidad con oxidantes. “En la turbina y el hardware aguas abajo, a menudo se ve gas oxígeno a alta temperatura y alta presión, que puede provocar incendios de metales y modos rápidos de falla energética”, dice Cordero.
Una solución es diseñar una bomba con espacios libres más grandes en el hardware giratorio. Sin embargo, debido a que este enfoque degrada el rendimiento, Cordero ha elegido otro camino: utilizar AM metálico para crear materiales más intrínsecamente compatibles con el oxígeno. "La construcción de turbobombas ricas en oxígeno con AM metálico facilita la integración de materiales exóticos que son más compatibles con ambientes de oxígeno de alta presión y alta temperatura", dice Cordero.
Cordero Lab sigue este enfoque con dos proyectos. El primero es el desarrollo de revestimientos cerámicos compatibles con el oxígeno que protejan contra la ignición por impacto de partículas. El segundo es la creación de materiales AM resistentes a la ignición que se puedan imprimir en formas de redes complejas para evitar la ignición por fricción.
Refuerzo de revestimientos con fases metálicas dúctiles.
En el proyecto de recubrimiento, los componentes estacionarios y giratorios de las turbobombas ricas en oxígeno están recubiertos con un revestimiento cerámico interno que evita la transferencia de calor al sustrato y protege el metal del oxígeno a alta presión. "La ventaja de los recubrimientos es que se pueden aplicar a casi cualquier tipo de hardware, ya sea impreso, fundido o forjado", dice Cordero.
El material mejora los revestimientos cerámicos actuales utilizados en los diseños de turbinas de gas convencionales. "Los revestimientos aeronáuticos convencionales tienden a deslaminarse y romperse bajo los rápidos transitorios térmicos que son típicos de los cohetes", dice Cordero. “En un motor de avión, el motor arranca en más de un minuto y luego se pone en ralentí unos minutos antes de despegar. Por el contrario, el motor de un cohete acelera a fondo en una fracción de segundo. El rápido cambio de temperaturas muy bajas a muy altas genera tensiones increíbles que hacen que los recubrimientos convencionales se desprendan”.
Para resolver este problema, Cordero está utilizando revestimientos cerámicos endurecidos con fases dúctiles metálicas incrustadas que suprimen la delaminación mediante puentes de grietas. "Si se desarrollan grietas en el revestimiento cerámico, se unen y mantienen en su lugar mediante inclusiones metálicas que lo ayudan a resistir los transitorios térmicos", dice Cordero.
El Laboratorio Cordero ha probado con éxito los recubrimientos con transitorios térmicos típicos que se observan en los cohetes. "Ahora estamos explorando cómo aplicarlos al hardware de vuelo del mundo real y optimizar su composición y diseño para temperaturas de entrada de turbina más altas", dice Cordero.
Los investigadores están colaborando con la NASA para investigar la resistencia a la ignición por impacto de partículas de los recubrimientos utilizando diferentes espesores, tamaños de partículas y condiciones de funcionamiento. "Nuestra investigación sobre los principios fundamentales de los recubrimientos de barrera ambiental endurecidos en fase dúctil debería permitirnos desarrollar nuevos recubrimientos con químicas y propiedades específicamente adaptadas a diferentes aplicaciones", dice Cordero. Una aplicación potencial es "cubrir superficies aéreas en vehículos hipersónicos".
Impresión de aleaciones resistentes a la fricción.
La investigación de Cordero Lab sobre aleaciones resistentes a la ignición es una colaboración con Aerospace Corp., un centro de investigación y desarrollo sin fines de lucro financiado con fondos federales. El laboratorio está investigando los mecanismos que impulsan la ignición por fricción, otro modo de ignición que puede provocar incendios de metales.
El encendido por fricción, que “es como encender una cerilla cuando ésta viaja a 300 metros por segundo”, suele deberse a un roce entre el rotor y la carcasa, dice Cordero. Para reducir el riesgo, Cordero está diseñando nuevos materiales de superaleación imprimibles que incorporan nanopartículas de óxido para fortalecer la dispersión. Apodado TGT100, el material "puede imprimirse en formas netas complejas y ofrece la mejor resistencia a la ignición por fricción de su clase".
El material resistente a las quemaduras se utilizará primero para imprimir carcasas y hardware estacionario. Cordero ha lanzado una startup llamada Top Grain Technologies que comercializará el material, así como los revestimientos cerámicos.
Cordero ha comenzado recientemente a investigar cómo se podrían rediseñar las turbobombas utilizando sus nuevos materiales para lograr una vida útil extremadamente larga. "Nuestro objetivo es construir una turbobomba que pueda soportar cientos de ciclos calientes antes de reemplazar o reparar componentes", dice Cordero.
Resolver los problemas de confiabilidad de los cohetes reutilizables requerirá experiencia en temas interdisciplinarios que normalmente no se combinan. Con este fin, Cordero trabajó recientemente con el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT y el Programa de Enlace Industrial para lanzar un nuevo curso intensivo de una semana en AM para ingenieros aeroespaciales.
Cordero también ha organizado un taller anual con colaboradores de Aerospace Corp. y la Universidad de Lehigh que explora los desafíos de los materiales en los motores de cohetes reutilizables. "Estamos reuniendo a expertos del mundo académico, la industria y el gobierno para discutir los desafíos técnicos clave", dice Cordero.
Más allá de la educación, se necesita más colaboración entre académicos y empresas como SpaceX y Blue Origin, afirma Cordero. "Los académicos tienen más tiempo para explorar estos desafíos más fundamentales", afirma. "La visión es llevar la confiabilidad y reutilización de los motores de cohetes reutilizables a los estándares de los motores aeronáuticos, lo que transformaría la industria".
