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![](\"https:\/\/news.mit.edu\/sites\/default\/files\/styles\/news_article__cover_image__original\/public\/images\/202310\/Zack-Cordero.jpg?itok=dfITGyQv\")
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El \u00e9xito del veh\u00edculo de lanzamiento reutilizable SpaceX Falcon 9 ha sido uno de los logros tecnol\u00f3gicos m\u00e1s notables de la \u00faltima d\u00e9cada. Impulsado por el motor Merlin de SpaceX, el propulsor Falcon 9 se puede reutilizar m\u00e1s de 10 veces, con un mantenimiento m\u00ednimo entre vuelos.<\/p>\n
Ahora existe una nueva generaci\u00f3n de motores y veh\u00edculos de cohetes reutilizables que prometen cargas \u00fatiles mucho mayores y una mayor reutilizaci\u00f3n. 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 reutilizaci\u00f3n, reduciendo as\u00ed a\u00fan m\u00e1s los costos de lanzamiento. Blue Origin tiene su propio motor BE-4 de pr\u00f3xima generaci\u00f3n que impulsar\u00e1 su veh\u00edculo de lanzamiento New Glenn de 320 pies.<\/p>\n
\"Es probable que la nueva clase de veh\u00edculos 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 Aeron\u00e1utica y Astron\u00e1utica en el MIT Esther y Harold E. Edgerton. \u201cEsto permitir\u00e1 aplicaciones como megaconstelaciones para Internet espacial y sensores espaciales para cosas como CO persistente en tiempo real.2<\/sub> monitoreo de emisiones\u201d.<\/p>\n Sin embargo, los fallos en el lanzamiento, como la explosi\u00f3n en abril de 2023 del prototipo Starship de SpaceX, sugieren que los nuevos dise\u00f1os todav\u00eda tienen importantes problemas de confiabilidad. En la explosi\u00f3n de Starship, aproximadamente seis de los 33 motores Raptor en la etapa de propulsi\u00f3n parecen haber fallado. En junio, el motor BE-4 de Blue Origin explot\u00f3 durante las pruebas de aceptaci\u00f3n, lo que sugiere que el motor sufre desaf\u00edos similares.<\/p>\n \"La gente supone que Starship va a tener \u00e9xito, pero eso no es necesariamente cierto\", dice Cordero. \"Existe un riesgo real, aunque subestimado, de que estos nuevos veh\u00edculos de lanzamiento de carga pesada sigan fallando a menos que haya avances fundamentales en la tecnolog\u00eda de materiales\".<\/p>\n El Cordero Lab, con sede en el Laboratorio de Estructuras y Materiales Aeroespaciales del MIT, ha aceptado este desaf\u00edo 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 est\u00e1 aprovechando su experiencia en fabricaci\u00f3n aditiva (AM), ciencia de procesamiento, ingenier\u00eda de materiales y dise\u00f1o estructural. El objetivo es reducir los costos de mantenimiento y extender la vida \u00fatil de los cohetes reutilizables, al tiempo que se reduce la posibilidad de fallas catastr\u00f3ficas.<\/p>\n La investigaci\u00f3n de cohetes reutilizables es s\u00f3lo uno de varios proyectos de Cordero Lab para abordar aplicaciones aeroespaciales emergentes. Cordero tambi\u00e9n est\u00e1 desarrollando tecnolog\u00edas para la fabricaci\u00f3n en el espacio de estructuras espaciales m\u00e1s grandes, como c\u00e9lulas solares, velas solares y reflectores, gracias a las mayores cargas \u00fatiles de los cohetes reutilizables de carga pesada. La novedosa t\u00e9cnica de fabricaci\u00f3n de Cordero utiliza la deformaci\u00f3n pl\u00e1stica para doblar materia prima met\u00e1lica en estructuras reticuladas en forma de red. Luego, estas estructuras pueden contornear con precisi\u00f3n una superficie reflectora utilizando actuadores electrost\u00e1ticos integrados.<\/p>\n Cohetes reutilizables m\u00e1s grandes = mayores desaf\u00edos de confiabilidad<\/strong><\/p>\n A diferencia de los cohetes tradicionales y prescindibles, los veh\u00edculos de lanzamiento reutilizables deben integrar componentes y elementos de dise\u00f1o que permitan a los veh\u00edculos maniobrar autom\u00e1ticamente para un aterrizaje suave. Tambi\u00e9n requieren una mayor protecci\u00f3n t\u00e9rmica para soportar el calentamiento aerot\u00e9rmico extremo durante el reingreso.<\/p>\n \"Los dispositivos de propulsi\u00f3n deben dise\u00f1arse de manera diferente para los cohetes reutilizables\", dice Cordero. \"Con los motores de cohetes de propulsor l\u00edquido reutilizables, se debe garantizar una operaci\u00f3n segura durante m\u00faltiples ciclos de vuelo y reducir el rendimiento para reducir el estr\u00e9s\".<\/p>\n Los cohetes reutilizables m\u00e1s grandes y potentes hacen que estas adiciones de dise\u00f1o sean a\u00fan m\u00e1s desafiantes. \"Los motores Raptor de SpaceX y BE4 de Blue Origin funcionan con ciclos de potencia diferentes en comparaci\u00f3n con el motor Merlin\", dice Cordero. \u201cLos nuevos ciclos de energ\u00eda de combusti\u00f3n por etapas son m\u00e1s susceptibles de reutilizaci\u00f3n porque reducen las temperaturas de entrada de la turbina para extender la vida \u00fatil del hardware de la turbina. Sin embargo, los nuevos ciclos de energ\u00eda plantean un mayor riesgo de fallas catastr\u00f3ficas. La compatibilidad del ox\u00edgeno y los incendios de metales representan desaf\u00edos cr\u00edticos\u201d.<\/p>\n Cordero intenta reforzar los componentes que limitan la vida \u00fatil de un motor cohete reutilizable, empezando por la turbobomba que presuriza el propulsor l\u00edquido. Otros componentes vulnerables incluyen la c\u00e1mara de empuje en la que se queman los propulsores para crear un gas caliente, as\u00ed como la boquilla a trav\u00e9s de la cual se expulsa el gas.<\/p>\n El desgaste prolongado de turbobombas, c\u00e1maras y boquillas no siempre termina en una explosi\u00f3n catastr\u00f3fica. Sin embargo, aumentan los costos de mantenimiento y reparaci\u00f3n que se tienen en cuenta en los costos generales de la carga \u00fatil de lanzamiento.<\/p>\n \"Existe un amplio espectro de comportamientos fallidos\", dice Cordero. \u201cLas c\u00e1maras de empuje pueden empezar a agrietarse pero siguen funcionando. Sin embargo, las turbobombas pueden tener problemas m\u00e1s graves. Podr\u00eda haber una falla del blisk (un tipo de disco del rotor) o, en el caso de turbobombas ricas en ox\u00edgeno, un roce entre el rotor y la carcasa. Los nuevos motores tambi\u00e9n son vulnerables a la ignici\u00f3n por impacto de part\u00edculas en la que los FOD (objetos y desechos extra\u00f1os) 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 catastr\u00f3fico en un solo punto que resulta en la explosi\u00f3n del veh\u00edculo\u201d.<\/p>\n El creciente papel de la AM en cohetes reutilizables<\/strong><\/p>\n La fabricaci\u00f3n aditiva se utiliza ahora ampliamente en la industria espacial, incluida la impresi\u00f3n de piezas para veh\u00edculos de lanzamiento con impresoras de fusi\u00f3n por l\u00e1ser. \u201cEl espacio es probablemente el mayor usuario de fabricaci\u00f3n aditiva met\u00e1lica y b\u00e1sicamente est\u00e1 dictando los desarrollos tecnol\u00f3gicos\u201d, dice Cordero.<\/p>\n La AM se utiliza con frecuencia para imprimir dispositivos de propulsi\u00f3n met\u00e1licos, como las peque\u00f1as bombas utilizadas en los motores de los generadores de gas. Sin embargo, s\u00f3lo se utiliza selectivamente en motores de etapa de impulso m\u00e1s grandes y sus turbobombas.<\/p>\n \u201cExiste un debate sobre si la impresi\u00f3n 3D en metal de grandes estructuras es econ\u00f3mica\u201d, afirma Cordero. Sin embargo, los protocolos mejorados de control de calidad y calificaci\u00f3n han permitido un mayor uso en grandes dispositivos de vuelo de misi\u00f3n cr\u00edtica. El siguiente paso es desarrollar materiales novedosos que mejoren la fiabilidad.<\/p>\n \"Estamos desarrollando avances materiales que deber\u00edan permitir un mayor uso de AM para turbobombas m\u00e1s grandes\", dice Cordero. \"Nuestra tecnolog\u00eda permite dise\u00f1os novedosos con eficiencia t\u00e9rmica mejorada o resistencia contra altas temperaturas o transitorios t\u00e9rmicos r\u00e1pidos\".<\/p>\n Un desaf\u00edo cr\u00edtico para los motores de combusti\u00f3n por etapas de flujo total (Raptor) y de combusti\u00f3n por etapas ricos en ox\u00edgeno (BE-4) es el problema de la compatibilidad con oxidantes. \u201cEn la turbina y el hardware aguas abajo, a menudo se ve gas ox\u00edgeno a alta temperatura y alta presi\u00f3n, que puede provocar incendios de metales y modos r\u00e1pidos de falla energ\u00e9tica\u201d, dice Cordero.<\/p>\n Una soluci\u00f3n es dise\u00f1ar una bomba con espacios libres m\u00e1s grandes en el hardware giratorio. Sin embargo, debido a que este enfoque degrada el rendimiento, Cordero ha elegido otro camino: utilizar AM met\u00e1lico para crear materiales m\u00e1s intr\u00ednsecamente compatibles con el ox\u00edgeno. \"La construcci\u00f3n de turbobombas ricas en ox\u00edgeno con AM met\u00e1lico facilita la integraci\u00f3n de materiales ex\u00f3ticos que son m\u00e1s compatibles con ambientes de ox\u00edgeno de alta presi\u00f3n y alta temperatura\", dice Cordero.<\/p>\n Cordero Lab sigue este enfoque con dos proyectos. El primero es el desarrollo de revestimientos cer\u00e1micos compatibles con el ox\u00edgeno que protejan contra la ignici\u00f3n por impacto de part\u00edculas. El segundo es la creaci\u00f3n de materiales AM resistentes a la ignici\u00f3n que se puedan imprimir en formas de redes complejas para evitar la ignici\u00f3n por fricci\u00f3n.<\/p>\n Refuerzo de revestimientos con fases met\u00e1licas d\u00factiles.<\/strong><\/p>\n En el proyecto de recubrimiento, los componentes estacionarios y giratorios de las turbobombas ricas en ox\u00edgeno est\u00e1n recubiertos con un revestimiento cer\u00e1mico interno que evita la transferencia de calor al sustrato y protege el metal del ox\u00edgeno a alta presi\u00f3n. \"La ventaja de los recubrimientos es que se pueden aplicar a casi cualquier tipo de hardware, ya sea impreso, fundido o forjado\", dice Cordero.<\/p>\n El material mejora los revestimientos cer\u00e1micos actuales utilizados en los dise\u00f1os de turbinas de gas convencionales. \"Los revestimientos aeron\u00e1uticos convencionales tienden a deslaminarse y romperse bajo los r\u00e1pidos transitorios t\u00e9rmicos que son t\u00edpicos de los cohetes\", dice Cordero. \u201cEn un motor de avi\u00f3n, el motor arranca en m\u00e1s de un minuto y luego se pone en ralent\u00ed unos minutos antes de despegar. Por el contrario, el motor de un cohete acelera a fondo en una fracci\u00f3n de segundo. El r\u00e1pido cambio de temperaturas muy bajas a muy altas genera tensiones incre\u00edbles que hacen que los recubrimientos convencionales se desprendan\u201d.<\/p>\n Para resolver este problema, Cordero est\u00e1 utilizando revestimientos cer\u00e1micos endurecidos con fases d\u00factiles met\u00e1licas incrustadas que suprimen la delaminaci\u00f3n mediante puentes de grietas. \"Si se desarrollan grietas en el revestimiento cer\u00e1mico, se unen y mantienen en su lugar mediante inclusiones met\u00e1licas que lo ayudan a resistir los transitorios t\u00e9rmicos\", dice Cordero.<\/p>\n El Laboratorio Cordero ha probado con \u00e9xito los recubrimientos con transitorios t\u00e9rmicos t\u00edpicos que se observan en los cohetes. \"Ahora estamos explorando c\u00f3mo aplicarlos al hardware de vuelo del mundo real y optimizar su composici\u00f3n y dise\u00f1o para temperaturas de entrada de turbina m\u00e1s altas\", dice Cordero.<\/p>\n Los investigadores est\u00e1n colaborando con la NASA para investigar la resistencia a la ignici\u00f3n por impacto de part\u00edculas de los recubrimientos utilizando diferentes espesores, tama\u00f1os de part\u00edculas y condiciones de funcionamiento. \"Nuestra investigaci\u00f3n sobre los principios fundamentales de los recubrimientos de barrera ambiental endurecidos en fase d\u00factil deber\u00eda permitirnos desarrollar nuevos recubrimientos con qu\u00edmicas y propiedades espec\u00edficamente adaptadas a diferentes aplicaciones\", dice Cordero. Una aplicaci\u00f3n potencial es \"cubrir superficies a\u00e9reas en veh\u00edculos hipers\u00f3nicos\".<\/p>\n Impresi\u00f3n de aleaciones resistentes a la fricci\u00f3n.<\/strong><\/p>\n La investigaci\u00f3n de Cordero Lab sobre aleaciones resistentes a la ignici\u00f3n es una colaboraci\u00f3n con Aerospace Corp., un centro de investigaci\u00f3n y desarrollo sin fines de lucro financiado con fondos federales. El laboratorio est\u00e1 investigando los mecanismos que impulsan la ignici\u00f3n por fricci\u00f3n, otro modo de ignici\u00f3n que puede provocar incendios de metales.<\/p>\n El encendido por fricci\u00f3n, que \u201ces como encender una cerilla cuando \u00e9sta viaja a 300 metros por segundo\u201d, suele deberse a un roce entre el rotor y la carcasa, dice Cordero. Para reducir el riesgo, Cordero est\u00e1 dise\u00f1ando nuevos materiales de superaleaci\u00f3n imprimibles que incorporan nanopart\u00edculas de \u00f3xido para fortalecer la dispersi\u00f3n. Apodado TGT100, el material \"puede imprimirse en formas netas complejas y ofrece la mejor resistencia a la ignici\u00f3n por fricci\u00f3n de su clase\".<\/p>\n El material resistente a las quemaduras se utilizar\u00e1 primero para imprimir carcasas y hardware estacionario. Cordero ha lanzado una startup llamada Top Grain Technologies que comercializar\u00e1 el material, as\u00ed como los revestimientos cer\u00e1micos.<\/p>\n Cordero ha comenzado recientemente a investigar c\u00f3mo se podr\u00edan redise\u00f1ar las turbobombas utilizando sus nuevos materiales para lograr una vida \u00fatil extremadamente larga. \"Nuestro objetivo es construir una turbobomba que pueda soportar cientos de ciclos calientes antes de reemplazar o reparar componentes\", dice Cordero.<\/p>\n Resolver los problemas de confiabilidad de los cohetes reutilizables requerir\u00e1 experiencia en temas interdisciplinarios que normalmente no se combinan. Con este fin, Cordero trabaj\u00f3 recientemente con el Departamento de Aeron\u00e1utica y Astron\u00e1utica del MIT y el Programa de Enlace Industrial para lanzar un nuevo curso intensivo de una semana en AM para ingenieros aeroespaciales.<\/p>\n Cordero tambi\u00e9n ha organizado un taller anual con colaboradores de Aerospace Corp. y la Universidad de Lehigh que explora los desaf\u00edos de los materiales en los motores de cohetes reutilizables. \"Estamos reuniendo a expertos del mundo acad\u00e9mico, la industria y el gobierno para discutir los desaf\u00edos t\u00e9cnicos clave\", dice Cordero.<\/p>\n M\u00e1s all\u00e1 de la educaci\u00f3n, se necesita m\u00e1s colaboraci\u00f3n entre acad\u00e9micos y empresas como SpaceX y Blue Origin, afirma Cordero. \"Los acad\u00e9micos tienen m\u00e1s tiempo para explorar estos desaf\u00edos m\u00e1s fundamentales\", afirma. \"La visi\u00f3n es llevar la confiabilidad y reutilizaci\u00f3n de los motores de cohetes reutilizables a los est\u00e1ndares de los motores aeron\u00e1uticos, lo que transformar\u00eda la industria\".<\/p>\n<\/p><\/div>\n