Desarrollo de un motor de cohete desde cero
(blog.ablspacesystems.com)- El motor E2 de ABL es un motor de cohete de ciclo generador de gas que usa Jet-A y oxígeno líquido; un motor de qualification alcanzó una vida útil 4 veces mayor sin degradación de rendimiento después de 28 arranques y 1300 segundos de combustión
- El programa de propulsión, iniciado en 2018, fue prácticamente un desarrollo clean-sheet: ABL creó internamente no solo el motor, sino también la infraestructura de pruebas, el software de pruebas y los sitios de prueba; en menos de 4 años montó 10 motores aptos para vuelo en un cohete
- Las decisiones iniciales priorizaban la simplicidad: una turbobomba de eje único, una cámara de combustión de Inconel impresa en 3D y un inyector pintle; pero la estructura del inyector y el diseño de la turbobomba fueron cambiando continuamente según los resultados de las pruebas
- Cuando fabricar externamente impulsores y turbinas empezó a requerir alrededor de 18,000 dólares y un lead time de 4 meses para cada pieza, ABL incorporó un molino de 5 ejes y personal de mecanizado para internalizar el proceso; rediseñó y volvió a probar un impulsor problemático en solo 10 días
- El centro del desarrollo fueron las pruebas iterativas de encendido real (hotfire); ABL sigue acumulando datos de cientos de arranques y varias horas de combustión en 50 motores, 3 sitios y 6 bancos de prueba para continuar mejorando
Estado actual y configuración básica del motor E2
- El motor E2 es el motor de cohete simple, robusto y resiliente de ABL
- Un motor E2 de qualification reciente alcanzó una vida útil 4 veces mayor en términos de tiempo total de combustión y cantidad de arranques
- Ese motor no mostró señales de degradación de rendimiento después de 28 arranques y 1300 segundos de runtime
- Sus propelentes son Jet-A y oxígeno líquido
- Ambos se tratan como algunos de los propelentes más comúnmente disponibles en todo el mundo
- El motor usa un ciclo generador de gas y es impulsado por una turbobomba de eje único
- El cohete RS1 usa el E2 en tres variantes
- Segunda etapa: E2 Vacuum
- Primera etapa: E2 Sea Level Radial
- Centro de la primera etapa: Center, una versión de doble cámara del Radial
- Cada motor produce más de 16,000 lbf de empuje en vacío, y ABL lo diseña, fabrica y prueba internamente
Un programa de motores que empezó como clean-sheet
- El programa de motores de ABL comenzó en 2018 apoyándose más en la intuición mecánica, la curiosidad y la resolución práctica de problemas que en experiencia directa con motores
- El aprendizaje inicial se centró en libros de texto, NASA monograph y artículos de investigación
- Los NASA monograph contienen información sobre problemas de diseño, soluciones, reglas empíricas y selección de materiales para motores de cohete y componentes de la década de 1960
- La mayoría de los diseños de motores de cohete parte de motores existentes, demostradores tecnológicos, componentes comprados externamente o IP, pero ABL empezó prácticamente desde una hoja en blanco
- Algunas piezas pequeñas, como sellos, rodamientos y sensores, se compraron a proveedores
- El cuerpo del motor, la infraestructura de pruebas, el software de pruebas y los sitios de prueba fueron diseñados y construidos internamente
- Para evitar una situación con demasiadas opciones, al inicio fijaron rápidamente el diseño central
- Se eligió el ciclo generador de gas porque ofrece una eficiencia intermedia y permite probar y ajustar cada componente de forma relativamente independiente
- Las principales áreas de trabajo se dividieron en turbobomba, cámara de combustión principal, inyector de la cámara de combustión principal y generador de gas
- El sizing inicial se hizo reuniendo ecuaciones en hojas de cálculo de Excel
- Se calcularon secuencialmente el empuje deseado, el caudal de propelente, el diámetro de salida de la cámara de combustión, el sizing del impulsor de la turbobomba y otros parámetros
- Más tarde descubrieron que en la industria a esto se le llama power balance o 1D code
Ensayo y error en el diseño de la turbobomba, el inyector y la cámara de combustión
- La turbobomba gira a unas 50,000 RPM, eleva los propelentes de alrededor de 50 psi a 2000 psi y envía varios galones por segundo a la cámara de combustión
- Las bombas de combustible de autos de carrera de Formula 1 también manejan presiones de miles de psi, pero su caudal es menor a 1 galón por minuto
- Una turbobomba de cohete puede incluir, junto con el impulsor, la turbina, los rodamientos y los conductos de fluido, estructuras auxiliares complejas como slinger, balance piston, labyrinth seal y recirculation channel
- El principio de diseño de turbobombas de ABL era no agregar funciones hasta que su necesidad estuviera clara
- El 1D code calcula velocidad, tamaños de entrada y salida, ángulos de los álabes y eficiencia esperada
- La forma final de los álabes requiere software especializado y ajustes iterativos
- El diseño de impulsores y turbinas se trató como una mezcla de ecuaciones, reglas empíricas e intuición
- Para el inyector inicial de la cámara de combustión principal se eligió una estructura pintle
- Los inyectores tradicionales tipo showerhead o impinging jet requieren cientos de orificios pequeños, conductos internos complejos y diámetros, ángulos y posiciones de orificios muy precisos
- Según la información accesible en ese momento, se consideró que la impresión 3D no era adecuada para ofrecer las dimensiones de precisión y el acabado superficial necesarios
- El pintle genera atomización mediante el choque de dos láminas de propelente, una axial y otra radial, y podía diseñarse y fabricarse de una manera cercana a una válvula
- La cámara de combustión principal se diseñó sobre la base de Inconel impreso en 3D
- Decidieron usar equipos y materiales ampliamente disponibles y bien comprendidos, evitando equipos o materiales de vanguardia
- Inconel es una superaleación de níquel desarrollada para motores a reacción, con buena resistencia mecánica, resistencia al calor y soldabilidad, y era fácil de conseguir para impresoras 3D
- Sus desventajas son que es difícil de mecanizar y tiene baja conductividad térmica
- El diseño de enfriamiento de la cámara de combustión era un problema de compromiso entre temperaturas de combustión del orden de 6000 °F y los límites del metal
- El metal se debilita significativamente a 1200 °F y puede fundirse a 2500 °F
- Se usó un método en el que parte del propelente fluye por el interior de la pared de la cámara de combustión para enfriarla
- La pared interna debe ser lo bastante delgada para transmitir el enfriamiento, pero lo bastante gruesa para no romperse por la presión
- Los canales de enfriamiento deben ser lo bastante estrechos para aumentar la velocidad del flujo, pero no crear una contrapresión excesiva que aumente la carga de la turbobomba
- Un ingeniero de cámaras de combustión creó código para optimizar de forma continua los parámetros de enfriamiento a lo largo de la cámara, y conectó esos resultados con el modelado 3D y la impresión
- La solución inicial de enfriamiento no cambió ni siquiera 5 años después
- Hasta hoy se mantiene el diseño original de enfriamiento de la cámara de combustión
Internalización y mejoras de fabricabilidad
- Al principio, componentes principales fueron impresos y mecanizados por fabricantes aeroespaciales de todo Estados Unidos
- Se fabricaron secuencialmente secciones pequeñas de cámara de combustión, generadores de gas, secciones de cámara de combustión y piezas de inyector
- Para los impulsores y turbinas, las cotizaciones de talleres de mecanizado especializados indicaban alrededor de 18,000 dólares por pieza y un lead time de 4 meses
- Más que el costo, el problema mayor era el lead time de 4 meses
- Se esperaba necesitar varias modificaciones de diseño, y si cada iteración tomaba 4 meses, eso no encajaba con la velocidad de desarrollo de una startup
- ABL alquiló su primer molino de 5 ejes y contrató personal de mecanizado para internalizar el proceso
- En el primer set, es posible que el costo de las end mills rotas haya superado la cotización de outsourcing
- Con el tiempo mejoraron tanto los métodos de mecanizado como el diseño
- Surgió un problema: el espaciado entre álabes de la turbina era tan estrecho que programar el mecanizado llevaba casi un mes y las end mills pequeñas se rompían con frecuencia
- Se estudió reducir la cantidad de álabes de la turbina
- Reducir los álabes tuvo un impacto pequeño en el rendimiento
- Al poder usar herramientas más grandes y menos frágiles, el tiempo de mecanizado se redujo a menos de un día
- Después de internalizar el proceso, impulsores y turbinas pudieron producirse en cuestión de días y a un costo mucho menor
- En las primeras pruebas de la bomba, el impulsor de combustible no capturaba correctamente el flujo de entrada, lo que volvía impredecible el rendimiento del motor
- Tras determinar que no podía usarse para vuelo, el rediseño, mecanizado, ensamblaje de la bomba, balanceo y nueva prueba tomó 10 días
- Si se hubiera hecho por outsourcing, habría provocado demoras de meses o habría obligado a trasladar el impacto del problema a otros sistemas del cohete o al rendimiento del cohete
- Luego se amplió aún más el alcance de la internalización
- ABL opera internamente varias impresoras 3D, varios molinos de 5 ejes y tornos multieje
- El balanceo de rotores de turbobombas también se realiza internamente
- Procesos y tecnologías que al principio parecían difíciles se volvieron rutina mediante la repetición
Equipo pequeño y desarrollo centrado en pruebas
- El equipo de propulsion de ABL se operó con la intención de mantenerlo pequeño durante el mayor tiempo posible
- En 2018 comenzó con 2 personas
- Durante los primeros 2 años, hasta operar el primer motor completamente integrado, fue un equipo de 5 personas
- Hoy el equipo tiene 15 personas
- Las características de los ingenieros exitosos se definieron en función de una arquitectura de motor simple y un enfoque de first principles
- A menudo son más efectivos los ingenieros que no se quedan solo frente al escritorio, sino que trabajan directamente con hardware, en campo y en pruebas
- Los ingenieros con experiencia deben usar esa experiencia como una pieza del rompecabezas, no como la respuesta completa
- Incluso si están a cargo de una pieza específica, deben entender cómo esa pieza afecta la fabricación, operación, rendimiento y a los equipos de interfaces del cohete
- No deben aferrarse por mucho tiempo a lo que creen correcto; deben ejecutar rápido o hablar sin importar la estructura organizacional o la antigüedad
- El indicador más importante es una fuerte intuición en mecánica y dinámica de fluidos
- La primera campaña de pruebas del E2 comenzó en el verano de 2019 en Spaceport America, New Mexico
- Fue menos de un año después de haber empezado el diseño del motor
- Instalaron el primer banco de pruebas sobre una losa plana de concreto
- Probaron el generador de gas y la thrust chamber en modo pressure-fed, sin turbobomba
- Ganaron experiencia con ignición TEA-TEB, operación de fluidos criogénicos y despliegue en una austere location
- El snap ring no encajaba bien dentro de la cámara de combustión, y el pintle se derretía con facilidad, por lo que no resultó tan simple como se esperaba
- En 2020 se trasladaron al sitio AFRL 1-56 cerca de Edwards Air Force Base
- Instalaron un banco de pruebas pressure-fed y un tanque de desarrollo de cohete para pruebas pump-fed
- Hicieron funcionar la primera turbobomba y efectivamente lograron bombear
- La turbina se derretía y había power instability, pero modificaron por separado el banco de pruebas, el escape de la turbina y la turbobomba
- Entre las pruebas de Spaceport America y AFRL diseñaron y fabricaron un nuevo inyector sin pintle
- Tras confirmar que la cámara y el generador de gas funcionaban, disminuyeron las preocupaciones sobre otros tipos de inyectores
- El nuevo método de fabricación era menos arduo que el método tradicional, y el nuevo inyector funcionó de inmediato
- Desde entonces ese inyector no ha cambiado
- Uno de los mayores logros en AFRL fue operar un motor completamente integrado
- Desde el tanque de desarrollo de Stage 2, la bomba, el generador de gas y el TCA cerraron el loop y funcionaron con su propia potencia
- A partir de ese momento, ABL entró en la etapa de pruebas de motores completamente integrados
Motores de vuelo y desarrollo iterativo después de Mojave
- En 2021, el foco estuvo en construir un nuevo sitio de pruebas en Mojave, California, e iniciar las pruebas
- Se aplicaron upgrades a la turbobomba
- También maduró el diseño alrededor del cohete
- A fines de 2021 comenzó la campaña de pruebas de motores para Flight 1
- La campaña de pruebas de Flight 1 fue muy distinta de las anteriores
- Se usaron varios bancos de prueba
- Se probaron muchos motores
- Se realizaron pruebas de full flight duration
- El runtime total de los motores empezó a medirse en miles de segundos, no en decenas de segundos
- En 2022 se actualizó el empuje del motor para obtener mayor potencia
- También comenzó la construcción de un nuevo sitio de pruebas de motores dedicado a pruebas de producción
- Con ello adquirieron la capacidad de ejecutar pruebas de desarrollo y de producción completamente en paralelo
- En 2023 se reempaquetaron los mismos componentes del motor en una configuración más modular
- La fabricación y las pruebas se volvieron más fáciles
- Luego se optimizaron funciones clave, como el sistema TEA-TEB, para aumentar la confiabilidad y el rendimiento a largo plazo
- Hasta hoy, ABL ha construido 50 motores individuales y los ha operado en 6 bancos de prueba en 3 sitios
- Se han acumulado cientos de arranques y varias horas de hotfire
- El desarrollo iterativo del E2 no está terminado y quizá nunca termine por completo
- Siempre quedan oportunidades de pequeñas mejoras en fabricación, rendimiento, masa y costo
- Entre los problemas encontrados durante el desarrollo se incluyen polvo de impresión en los rodamientos de la bomba, volute e impulsores de bajo rendimiento, liner, turbine, manifold y tube que se derretían, chugging pump, generador de gas inestable, sellos con fugas y hard start
- Resolver cada uno hizo más fuertes a los ingenieros, al motor y a la compañía
- El mayor error fue no continuar con pruebas que se consideraron no estrictamente necesarias y postergar el descubrimiento de problemas a etapas posteriores, donde el impacto era mayor
- ABL sigue ampliando el equipo combinando talented generalist engineer y propulsion engineer
- Las suposiciones y el conocimiento organizacional acumulados durante los últimos 6 años se aprovechan y, al mismo tiempo, se cuestionan
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
El servidor de informes de NASA es un tesoro nacional, especialmente los materiales de los años 50 y 60 citados en el texto.
Están entre los ejemplos más claros y concisos de escritura técnica, y también permiten inferir bastante sobre cómo se gestionaban los proyectos en esa época.
Los informes desclasificados de NRO también son excelentes, y permiten ver cómo funcionaban en la práctica los principios de Lockheed Skunk Works.
Ej.: https://www.nro.gov/Portals/135/documents/foia/declass/WS117...
Tengo algunos de los libros de texto de Rad Lab y todavía hoy son útiles; fueron escritos para una generación para la que la electricidad aún era un concepto relativamente nuevo, así que el ritmo de las explicaciones es muy cuidadoso.
Otra cosa que da nostalgia es que los libros antiguos estaban hechos con muchísimo esmero, con encuadernación de cuero, papel grueso pero liso, etc.
La parte donde el espaciado entre las palas de la turbina era tan estrecho que el programa de mecanizado tardaba casi un mes, y requería una fresa de punta muy pequeña que se rompía con facilidad, termina siendo un caso de aprendizaje duro sobre la importancia de los ciclos de retroalimentación cortos y del conocimiento incorporado dentro del equipo.
Lo clave es que, al reducir la cantidad de palas y ampliar el espaciado, el impacto en el rendimiento fue pequeño; al poder usar herramientas más grandes y resistentes, el tiempo de mecanizado bajó a menos de un día, mejorando mucho tanto costos como cronograma.
Si el ingeniero mecánico que diseña la pieza fuera de esos que también construyen cosas por cuenta propia en su tiempo libre, probablemente habría detectado enseguida este problema de manufacturabilidad.
Claro que no se puede prever todo, así que cuando es posible, tener ciclos de retroalimentación estrechos es muy bueno.
Más que una lección aprendida a la fuerza, diseñaron la empresa en esa dirección desde el principio.
Como artículo sobre crear hardware extremadamente complejo desde cero es excelente, pero desde una perspectiva de negocio, tanto este blog como el sitio de ABL no responden bien la primera pregunta: “¿por qué?”.
Con SpaceX ya existente y la viabilidad de Starship sobre Falcon acercándose rápidamente, me pregunto cuál es el objetivo principal de este sistema de cohetes.
Me gustaría ver un artículo que aborde cómo van a competir, quiénes son sus clientes, si ponen en órbita cargas útiles de alrededor de 1 tonelada de forma más rápida, barata y sencilla, en qué es superior un motor diseñado desde cero frente a diseños existentes, cuál es el impulso específico actual, y si Jet-A + LOX es una mejor elección de combustible para las condiciones de misión previstas.
Crear un ecosistema de fabricantes de cohetes pequeños en lugar de un único monopolio gigante fomenta la competencia y la innovación.
Desde la perspectiva de un inversionista, SpaceX podría fracasar, y aunque Falcon hoy parezca casi invencible, no se sabe qué pasará con Starship.
También se puede imaginar que Falcon quede en tierra durante años si se descubre algún defecto; y, más realistamente, las reducciones de precio de SpaceX podrían ampliar el mercado lo suficiente como para que haya clientes de sobra.
Desde la perspectiva de alguien de adentro, obviamente es un desafío divertido y, literalmente, ciencia de cohetes.
Algunas pueden seguir un camino similar, diseñar hardware reutilizable y reducir los costos de lanzamiento.
A SpaceX le tomó 20 años depender de un sistema reutilizable de forma estable, así que otras empresas quizá puedan llegar a un estado parecido más rápido.
El gobierno de EE. UU. también comprará deliberadamente contratos de lanzamiento que no sean de SpaceX para mantener vivas a las empresas de lanzamientos pequeños y no quedar atado a un solo proveedor.
El gobierno de EE. UU. podría poseerla y operarla para lanzar desde tierra, mar o entornos expedicionarios, y en teoría dejar caer carga en cualquier punto del planeta en menos de 5 minutos.
Es exactamente el tipo de capacidad con la que sueñan los estrategas militares.
Es realmente interesante que se puedan imprimir en 3D piezas metálicas capaces de soportar la temperatura y la presión de un motor de cohete.
Me pregunto cuánto costará.
El tiempo de uso de una impresora de sinterizado por haz de electrones suele costar entre 100 y 200 dólares por hora, y las piezas grandes fácilmente pueden tardar días.
Después de imprimir, hay que retirar el polvo suelto, y eso es muy difícil y toma mucho tiempo en lugares como los pequeños canales de refrigeración de la pared de la cámara de combustión.
Luego, para maximizar la resistencia, puede hacer falta un posprocesamiento como el prensado isostático en caliente, que calienta la pieza dentro de una retorta llena de gas inerte a alta presión.
En un motor de cohete, normalmente conviene tener en el interior una capa de alta conductividad térmica, como una aleación a base de cobre, y en el exterior un material estructural más resistente, por lo que se requieren procesos especiales como impresión multimaterial metálica o deposición de metal sobre la pieza impresa.
Para verificar que las geometrías internas invisibles se hayan fabricado y limpiado correctamente, también entra el control de calidad, como tomografía computarizada industrial de alta resolución.
Además, las geometrías que son difíciles o imposibles de imprimir con suficiente precisión requieren mecanizado adicional, así que el costo total termina siendo bastante alto.
Parte del proceso anterior se puede ver en este video: https://www.youtube.com/watch?v=7pXEf0wHU1Y
En la impresión 3D, la complejidad es casi gratis, y qué material puede soportar la temperatura y la presión de un motor de cohete cambia por completo según de qué componente del motor se trate.
Por ejemplo, los inyectores de combustible y los puntales de soporte tienen requisitos muy distintos.
El titanio impreso en 3D cuesta alrededor de 300 a 400 dólares por kg, y el acero es un poco más barato: unos 150 dólares por kg para la mayoría de los grados de Inconel.
En http://rocketmoonlighting.blogspot.com/2010/ también hay un caso de un motor pequeño refrigerado con óxido nitroso construido íntegramente con fondos personales.
Aunque ya pasó bastante tiempo, creo que esas cifras siguen sirviendo como referencia para estimar los precios actuales.
El polvo de Inconel tampoco es precisamente bueno para la salud, y con los tamaños de partícula de las impresoras que usan las empresas de cohetes, para manipular de forma segura el polvo en suspensión se necesita equipo de protección de cuerpo completo.
El equipo en sí también cuesta millones de dólares, y EOS, SLM y Velo3D son los principales actores de este mercado.
También requiere bastante espacio, y capacitación para usarlo correctamente.
Es muy probable que también haga falta un ingeniero mecánico con buen conocimiento de ciencia de materiales y tolerancia a máquinas delicadas que se descomponen con frecuencia.
Solo el inventario de polvos metálicos puede llegar a 1 o 2 millones de dólares, y además se necesita energía eléctrica de alto voltaje, miles de litros al mes de gases como nitrógeno, helio y argón, manejo de residuos, instalaciones de seguridad, control ambiental para polvos sensibles a la humedad y herramientas como placas base mecanizadas a partir de bloques macizos de acero.
Por último, se suman trabajos posteriores a la impresión como tratamiento térmico, recubrimientos, análisis y mecanizado CNC.
La impresión 3D metálica a escala industrial es una operación de alto gasto de capital, y no es para gente de corazón débil.
De todos modos, hay muchos lugares que alquilan tiempo de uso de equipos así, así que basta con diseñar el cohete y pedir una cotización.
El precio normalmente se calcula por volumen, y el metal no es barato, así que conviene hacer primero algunas piezas en plástico para verificar dimensiones.
Si su experiencia era en interiores de aviones comerciales, desarrollo web, componentes de fluidos para fabs de semiconductores y sistemas hidráulicos del Falcon 9 de SpaceX, me pregunto por qué ABL lo contrató como líder del programa de motores.
Ahora está claro que fue una gran elección, pero viendo solo ese historial no habría sido fácil preverlo.
Probablemente se hicieron amigos, planearon hacer esto juntos y él se unió en cuanto se dieron las condiciones, o quizá el fundador consiguió suficiente tracción como para llevárselo de SpaceX.
Trabajo en un proveedor de ABL, y justo hoy estaba preparando algunas de sus piezas para pruebas de ciclo metiéndolas en una cámara térmica, así que me pareció curioso.
Trabajamos con varias empresas de lanzadores, pero ABL es la más interesante, y su enfoque de contenerizar todo el sistema es una aplicación inteligente de métodos existentes para crear un sistema de lanzamiento rápido.
Para una situación en la que se está haciendo el primer motor desde cero, las decisiones de diseño parecen bastante conservadoras, y eso está plenamente justificado.
Supongo que los diseños posteriores serán más audaces y arriesgados.
Dado que la tecnología de recipientes a presión también ha avanzado, creo que bastaría con bombear una sustancia como aire líquido a un tanque presurizado y montarlo en el cohete.
La idea es que, sin necesidad de mezclar ni bombear, con solo abrir una válvula para liberar la presión se podría tener un cohete muy barato y simple.
El diseño de inyectores es el elemento más importante en el diseño de una cámara de empuje, y si los propelentes no se mezclan correctamente se generan inestabilidades de combustión graves, que muchas veces terminan en una explosión.
Los primeros programas espaciales también probaron muchísimo la elección de propelentes y el diseño de inyectores.
Basta ver Ignition!, de John D. Clark.
Además, los cohetes alimentados por presión siempre han sido un diseño bastante malo.
La alimentación por presión requiere tanques pesados y penaliza mucho la relación de masas, es decir, masa seca/masa húmeda.
Salvo casos raros, se usa principalmente solo para pruebas en tierra.
Si es una estructura impresa en 3D, al ver los puertos integrados parece que parte de la tobera es hueca, y como el calor latente de vaporización del LOX es mucho menor, parece que usan refrigeración con Jet A.
Uno de los puertos podría ser para un sensor de temperatura.
Me preguntaba qué era esta empresa espacial y cuál era su ventaja frente a SpaceX.
Viendo el sitio, destacan lanzamientos bajo demanda, un sistema simple capaz de ir a cualquier parte y lanzamientos tácticos.
Eso suena a armas nucleares o algo parecido.
Para eso ya existen silos y submarinos.
Esto es para lanzamiento responsivo y, si uno lo mira con escepticismo, responde a una demanda que surge de que el Departamento de Defensa tiene mucho presupuesto espacial pero no sabe muy bien qué hacer con él.
Es parecido al modelo de negocio de Astra, pero esperando no tener el modelo de fracasos de Astra.
En la práctica, como no se puede hacer crecer de inmediato una empresa de lanzadores pesados con capital de riesgo o mediante una SPAC, los lanzadores de satélites pequeños funcionan como prueba de concepto para lanzadores medianos y grandes.