Обсуждение космических программ
8,793,889 39,580
 

  slavae ( Слушатель )
10 окт 2018 14:43:27

3D-печать в космонавтике

новая дискуссия Статья  1.063

Отсюда

3D-печать в космонавтике



Сейчас 3D-печать утратила ореол новизны и инновационности, превратившись в одну из технологических операций современной промышленности. Космонавтика довольно консервативная отрасль, но и здесь производится поиск применения 3D-принтеров. Печать пластиком уже выбралась в космос в качестве эксперимента, а спекание металлического порошка применяют в ракетном деле.

На крупных предприятиях космической отрасли 3D-печать пластиком нашла применение в макетировании, и изготовлении литейных форм. Селективное лазерное спекание металлического порошка пока не заслужило доверия у ракетостроителей, и по-прежнему не конкурирует с литьем, штамповкой и фрезеровкой. Технология 3D-печати металлом пока воспринимается как эксперимент, проводимый, зачастую, за государственный счет. Например в 2015 году, на средства NASA была напечатана медью камера сгорания для ракетного двигателя.




Далее проводили еще несколько экспериментов с различными сплавами и технологиями изготовления. Один из двигателей с 3D-печатной камерой сгорания испытали на стенде, но на ракеты, производимые по госконтракту, двигатели оставили без изменений.



Частные космические компании более открыты к инновациям и смелее подходят к внедрению передовых технологий в серийное производство. Новозеландская компания RocketLab освоила технологии трехмерной печати в изготовлении элементов ракетного двигателя Rutherford. Печатается один из ключевых элементов ракетного двигателя — камера сгорания и сопло с рубашкой охлаждения, где должно циркулировать ракетное топливо во время работы двигателя. Rutherford испытали сначала на стенде, затем в ходе космического запуска. Первый пуск ракеты сорвался из-за сбоя в системе связи, а второй, в январе 2018 года прошел успешно.



Правда Rutherford от RocketLab довольно легкий, имеет тягу около 2,5 т и массу около 25 кг. Девять таких двигателей требуется на первой ступени ракеты Electron, чтобы запустить груз всего 200 кг на низкую околоземную орбиту.

Несколько металлических 3D-печатных элементов используется в значительно более мощных двигателях Merlin на тяжелой ракете Falcon 9 компании SpaceX. Однако, ключевые элементы этого двигателя изготавливают по иным технологиям; фрезеровка, литье под давлением, горячая формовка и т.п.

Американский стартап Relativity Space пошел дальше всех. Его основатели предлагают производить ракету полностью напечатанную на 3D-принтере. Хотя речь идет о массовом использовании деталей, созданных по технологии селективного лазерного спекания при помощи специально разработанного 3D-принтера на базе роботов Kuka.



По заверению авторов проекта, им удалось сократить общее число деталей ракеты от 100 тыс. до 1 тыс.

В спутникостроении экспериментальные детали для космических аппаратов изготавливали по заказу Европейского космического агентства. Небольшую параболическую антенну, механизм развертывания солнечных батарей, элементы системы получения изображений, корпус малого спутника стандарта CubeSat. Трехмерная печать снижает массу элементов, уменьшает общее количество деталей, открывает новые возможности в конструировании деталей на основе топологической оптимизации, позволяет заменять шлейфы проводов на токопроводящие нити протянутые прямо через стенки конструкции.



Хотя в космос изделия так и не запустили, полагаясь на освоенные ранее технологии. Хотя, возможно, полученные результаты найдут применение в будущих спутниковых платформах.

В отношении 3D-печати сказывается консервативность производителей космической техники, ведь мало разработать новый элемент конструкции, требуется провести его многократные испытания на Земле, затем запустить в космос и там убедиться в прямых выгодах, которые новинка даст по сравнению с аналогами прежних лет. Поэтому частным новичкам проще использовать новые технологии, т.к. их разработки и так требуют полноценного испытания.

Отдельное направление трехмерной печати, которое пока не выбралась из экспериментальной стадии — печать в космосе. Это направление рассматривается в качестве перспективной возможности воплотить мечты теоретиков космонавтики прошлого века, и начать производство в космосе. Сначала такое производство могло бы покрывать потребности в космосе, а потом и на Земле, открывая возможность выноса в космос наиболее опасных для экологии производств. Впрочем, до решения глобальных проблем с помощью 3D-принтеров пока далеко.

На борту МКС проводился эксперимент по трехмерной печати ABS-пластиком в условиях микрогравитации. Астронавты смогли успешно напечатать храповой ключ, из файла, переданного с Земли, подтвердив принципиальную возможность создавать новые изделия на орбите.



Компания, оснастившая МКС 3D-принтером — Made In Space — надеется развивать технологию и создавать принтеры способные прямо в вакууме создавать элементы конструкции космических аппаратов и орбитальных станций.

Частная компания Deep Space Industries в 2013 году взялась за разработку 3D-принтера, который сможет печатать металлом в невесомости. Компания ставит своей целью добычу полезных ископаемых на астероидах, поэтому в качестве сырья предполагается использовать основной материал металлических астероидов — железо-никелевый сплав. Однако на сегодня все упоминания об этой разработке с сайта DSI удалены.

Другая компания, которая нацелилась на астероиды — Planetary Resources — также видит будущее в применении космических ресурсов в орбитальном производстве. В качестве эксперимента, компания напечатала в земной лаборатории небольшую конструкцию, применив в качестве материала измельченный в порошок металлический метеорит. (Фото в заголовке).

Российская компания “Анизопринт” разрабатывает технологию 3D-печати из композитов и рассматривает, в качестве возможного применения, печать композитных элементов космических аппаратов на орбите.

Другой российский стартап 3D Bioprinting Solutions планирует провести эксперимент на российском сегменте МКС, с биофабрикацией тканей организма. Предполагается, что условия микрогравитации позволят формировать устойчивые трехмерные структуры и полноценные ткани и даже органы, созданию которых на Земле препятствует гравитация. Оборудование для проведения эксперимента уже отправлено на МКС.

На Земле 3D-принтеры уже справляются не только с небольшими изделиями, но и с целыми домами. Подобный опыт предлагается применить и в создании внеземных поселений или научных баз. В США, России и других странах ведутся разработки и проводятся эксперименты в этом направлении.



Европейская фирма Foster and Partners по заказу ESA провела дизайнерскую работу по проектированию лунной базы, напечатанной из реголита. В качестве подтверждения предлагаемой технологии компания заказала печать одного блока из вулканического базальта при помощи строительного принтера D-Shape.



В Самарском государственном технологическом университете занимаются разработкой лунного посадочного аппарата, который мог бы заниматься спеканием из реголита строительных блоков. В качестве источника энергии предполагается использовать солнечный свет, который концентрируется развернутыми отражателями.



К сожалению, пока большинство проектов связанных с 3D-печатью в космосе, остаются на Земле. Связано это отчасти с несовершенством технологии, отчасти с незначительной выгодой, которую обещает новая технология. Тут многое зависит от эффекта масштаба: пока вся промышленность основана на применении более ранних технологий, поэтому новинка оказывается дороже и рискованней, чем повторение пройденного. Хотя определенный выигрыш 3D-принтеры способны дать, поэтому стоит ожидать повышение их популярности в космической отрасли.


  • +0.12 / 9
  • АУ
ОТВЕТЫ (11)
 
 
  adolfus ( Слушатель )
10 окт 2018 15:47:24

И что? 3d-печать канавок? Чем это отличается от пайки трубок? Давление в камере сгорания и температуру это повысить не даст. Здесь нужно совершенно новое конструкционное решение. Чтобы охлаждение критического сечения работало на порядок эффективнее. Что-то типа тепловой трубки.
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
  перегрев ( Слушатель )
10 окт 2018 21:55:32

Это даст резко сократить цикл изготовления. По традиционным технологиям такая камера изготавливается три-четыре месяца, методом прототипирования – две недели.

Так, просто, что бы уточнить. Как "тепловая трубка" позволит повысить "температуру и давление"? Вы вообще понимаете, что такое "тепловая труба"?
  • +0.23 / 15
  • АУ
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
11 окт 2018 02:05:15

Я ее и посчитать могу. В смысле, по геометрии, пористости и свойствам теплоносителя определить тепловые потоки и эффективную теплопроводность, которые она может обеспечить. А Вы?
...
Что касается давления в камере и температуры, то все зависит от того, выдержит ли сопло эти параметры в критическом сечении. Пока снимаете поток в стенку (с ее обратной стороны), удерживая температуру материала не выше определенного предела, можете повышать в камере и температуру и давление. Как только превысите, так сразу и прогорит.
Для каждого материала и каждого теплоносителя существует оптимальная толщина стенки и скорость прокачки, когда снимаемый тепловой поток будет максимальным. Для меди при охлаждении водой есть режимы в десять килоВатт на квадратный сантиметр при давлении около двадцати атмосфер. Вопрос в организации течения, которая  обеспечит унос пузырьков пара с поверхности и низкое гидродинамическое сопротивление, обеспечивающее падение давления не более одной десятой давления в камере
Проблема охлаждения с помощью длинных каналов состоит в невозможности организовать надлежащее течение и как следствие в закипании теплоносителя. Соответственно, катастрофически падает коэффициент теплообмена и стенка прогорает. Тепловая трубка же принципиально работает в режиме кипения. При этом она не обязательно должна иметь вид трубки – тепловая трубка – это не трубка, а технология отвода тепла за счет кипения теплоносителя и увода его в виде пара к охладителю. Может иметь вид плоского широкого кольца с радиальным конвективным переносом тепла. 
  • -0.02 / 4
  • АУ
 
 
 
 
  normalized_ ( Слушатель )
11 окт 2018 07:23:46
Сообщение удалено
normalized_
11 окт 2018 07:25:28
Отредактировано: normalized_ - 11 окт 2018 07:25:28

  • +0.00
 
 
 
 
  normalized_ ( Слушатель )
11 окт 2018 07:25:19


ЦитатаЦитата: adolfus от 10.10.2018 16:47:24
И что? 3d-печать канавок? Чем это отличается от пайки трубок? Давление в камере сгорания и температуру это повысить не даст. Здесь нужно совершенно новое конструкционное решение. Чтобы охлаждение критического сечения работало на порядок эффективнее. Что-то типа тепловой трубки.


Понятно, Вы про закрытые "тепловые трубки", внутри которых легкокипящая жидкость.

Вопрос не в расчете теплового потока трубки по заданной конфигурации "Я ее и посчитать могу, тепловые потоки и эффективную теплопроводность", а,  раз вы утверждаете, что она (может быть) эффективней на порядок регенеративного охлаждения, то нужно привести к.л. наметки к обоснованию этого.
То есть для какого-либо конкретного маршевого двигателя (т.е. с заданной формой, давлением, температурой) определить:
1) какой геометрией и каким теплоносителем должна обладать "тепловая трубка", чтоб обеспечить охлаждение сопла.
2) сравнить с традиционными методами: регенеративным охлаждением топливом (узкая часть сопла), абляционным (широкая часть). И таким образом объективно оценить ее насколько она эффективней по теплопроводности.
После этого можно продолжать разговор, по нормальному рассматривая поступившее предложение.
  • +0.12 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
11 окт 2018 17:07:27

Регенеративное охлаждение.
Это обычное конвективное охлаждение с обратной стороны стенки. Отличается лишь тем, что в качестве охлаждающей ждкости используется топливо, которое рядом и утилизируется. Конструкция дает прирост энергоэффективности, но не дает прироста эффективности охлаждения.
Как вообще стенка работает, описывать не буду – вот учебное пособие, где все разжевано для продольного охлаждения ЖРД. Отмечу только, что с ростом температуры в камере в области критического сечения конвективный поток растет, не более, чем квадратично, а лучистый почти как четвертая степень. С ростом давления оба растут пропорционально плотности.
В результате сопряженного теплообмена в областях "горячий погранслой-стенка-холодный погранслой" устанавливается самосогласованное распределение температуры в стенке. При этом чем длинее канал охлаждения, тем разность давлений на входе и выходе при прочих равных будет выше. По мере движения охладителя по каналу он нагревается, в результате локальная теплоотдача понижается и температура обеих сторон стенки растет.А если вдруг охладитель в канале закипит, катастрофически упадет коэффициент теплоотдачи, и в результате положительной обратной связи стенка моментом прогорит.
В популярных книжках по ЖРД помимо регенеративного охлаждения упоминается тепловая завеса стенки со стороны нагрева. Это когда но горячей стенке организуется ламинарное пленочное течение охладителя, которое отбирает часть теплового потока чисто своей теплоемкостью. Если пленка содержит сажевые частицы, отбирается не только конвективный, но и лучистый поток. Метод неплохой, но реализация зело сложная – свободно "гуляет" площадь критического сечения и его положение в горле, что может привести к возникновению автоколебаний и срыву течения завесы.

Тепловая трубка.
В трубку помещается жидкость-теплоноситель, кипящая при рабочих температурах и запаивается. Один конец нагревается, другой охлаждается. На горячем конце теплоноситель закипает, отбирая тепло на фазовый переход, пар течет к холодному концу, где конденсируется и отдает тепло в холодную стенку. Чтобы сконденсировавшийся теплоноситель вернулся к горячему концу, на внутренней стенке трубки может быть нанесен пористый слой, который работает как капиллярный насос, подающий теплоноситель с холодного конца на горячий против гидростатического давления, возникающего при рабочем нагреве горячего конца трубки. Сама идея состоит в отборе тепла с помощью фазового перехода. Преимущество – безрасходность теплоносителя горячего контура. В принципе, трубка не обязательно должна быть цилиндрической, а теплоноситель не обязательно должен подаваться в рабочую зону с помощью капиллярных сил.

Из личной практики охлаждения
При охлаждении метрового канала d25 мм с электродуговой плазмой (ток килоампер, напряжение на дуге порядка 7 кВ, давление 20 ата, температура в дуге несколько десятков тысяч кельвинов, расход воздуха – полтора кг/с) использовался двухфазный метод охлаждения. Охлаждающая вода подавалась радиально в специальным образом профилированные каналы межэлектродных вставок, из которых набирался дуговой канал, где за счет центробежных сил прямо на поверхности стенки происходила сепарация пара и жидкости. К стенке из входного коллектора текла вода, на стенке было пузырьковое кипение, от стенки двухфазный поток попадал в выходной коллектор, где происходила конденсация. Охлаждение работало на почти предельных для меди тепловых потоках в стенку (~10 кВт/см^2). Такие потоки, даже на порядок меньшие, чисто конвективным охлаждением не снимаются вообще.

(Эскиз вставки будет позже)
  • +0.07 / 8
  • АУ
 
 
 
 
 
 
  перегрев ( Слушатель )
11 окт 2018 21:41:05

Эта "зело" сложная реализация освоена практически с самого начала ракетного двигателестроения и применяется практически на всех ЖРД

Нда, второй раз... А скажите, с "холодного конца" тепловой трубки тепло куда девается?

Что-то описанная Вами конструкции ни фига не напоминает "тепловую трубку". А напоминает она тракт охлаждения ЖРД, коим по сути и является.
  • +0.13 / 11
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  Alexandr_A ( Слушатель )
12 окт 2018 03:14:11

Видимо тепловые трубки попутали с углеродными нанотрубками. )
Медь легированная УНТ:
ЦитатаРезультаты  прочностных  испытаний  показали,  что  предел  текучести  композита  после  ГИП  на  ~11%
превышает аналогичный показатель образца ПМС-1 (без легирующих частиц) и в 2 раза превышает предел текучести
меди марки М2. Теплопроводность исследуемого образца композита составила 289 Вт/м·К, что на ~20% превышает
теплопроводность  традиционно  используемой  бронзы  БрХ08  (239  Вт/м·К).  Полученные  результаты  показывают
принципиальную  возможность  получения  медного  композиционного  материала,  упрочненного  наноразмерными
частицами  углерода  –  УНТ  методом  механического  легирования,  однако  имеется  необходимость  уточнения
технологии его получения


https://cyberleninka.ru/articl…girovaniya
  • +0.02 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  adolfus ( Слушатель )
12 окт 2018 15:00:48

1) Другой конец, как обычно, охлаждается вторым контуром. Трубка просто имеет теплопроводность в сотни раз меньше, чем медь.
2) Не напоминает. И тракт охлаждения ЖРД тоже не напоминает. Если помните, все началось с картинки сопла, состоящего из продольно ориентированных трубок. Вот это и есть тракт охлаждения ЖРД. Фрезерованные канавки или из трубок спаянные, в осевой плоскости они или под углом к ней, у них одинаковые проблемы из-за того, что длина много больше  диаметра:
-- требуется высокий перепад давления для прокачки охладителя
-- по мере движения вдоль трубки температура охладителя растет ==>  падает 
В результате вблизи выхода статическое давление низкое, а теплоноситель уже теплый. И почему бы ему не закипеть, сорвав охлаждение.
В описанной мной конструкции тепоноситель подается таким образом, чтобы имело место пузырьковое кипение, при этом чтобы пузырьки пара "всплывали" наружу от горячей стенки, а теплоноситель "тонул" по направлении к ней. Нет ни тангенциального течения, ни осевого, только радиальное. При развороте у стенки с радиусом около 5-10 мм за счет кривизны потока на пузырьки действует выталкивающая сила, препятствуя пленочному кипению. Из входного коллектора приходит жидкая фаза, в выходной поступает двухфазный поток. Съем тепла за счет парообразования. Сначала хотели делать тепловую трубку, но капиллярных сил не хватало для подвода теплоносителя к месту нагрева. Тогда вместо пористого слоя решили использовать принудительную радиальную подачу, что усложнило схему, но обеспечило требуемые параметры теплосъема.
  • -0.03 / 4
  • АУ
 
 
 
 
  перегрев ( Слушатель )
11 окт 2018 21:26:47

И я! Улыбающийся Я тоже могу рассказывать про то, как я что-то могу. Улыбающийся

Нда... За версту видать матерого расчетчика-тепловика. Аж завидки берут. А ничего, что организация кипения охладителя в тракте стандартный прием интенсификации теплообмена уже лет 50? И еще, для справки, при определенных условиях охладитель вообще не кипит. Никогда. Погуглите, что такое "критическое давление" 
  • +0.24 / 16
  • АУ
 
 
  Игорь_ ( Слушатель )
11 окт 2018 09:09:49

Это должно отличаться ценой. Но пока технология не доведена до ума и мало распространена.
Опять же надо подходить к печати с умом. КС и сопло печатать смысла не очень много а вот например корпус ТНА вполне себе.
  • +0.04 / 3
  • АУ
 
<< А процентик по американским трежерькам то растёт...
Сурков пообещал повысить зарплаты в ДНР >>