FAST Aerospace: Ein Test eines luftatmenden Antriebs unter extremer Hitze

FAST Aerospace ist ein in Italien ansässiges Luft- und Raumfahrt-Start-up, das fortschrittliche Antriebstechnologien für zukünftige Weltraumbegangsysteme entwickelt. Seine langfristige Vision ist „HyperDart“, eine zweistufige Trägerrakete, die den unabhängigen Zugang Europas zum Weltraum für Kleinsatelliten ermöglichen soll.

Um seine Staustrahltriebwerkstechnologie weiterzuentwickeln, entwickelte FAST Aerospace eine experimentelle Staustrahlbrennkammer für Flüssigtreibstoff, mit der sich wichtige Leistungsdaten erfassen lassen. Das Projekt erforderte komplexe Hochtemperaturkomponenten, die unter extremen Verbrennungsbedingungen einsetzbar waren und gleichzeitig eine schnelle Test- und Validierungsphase ermöglichten.

An dem Projekt beteiligt waren Luca Colombo, Mitbegründer und Chief Operating Officer (COO), der die Lieferkettenaktivitäten für das Programm beaufsichtigte, sowie der Chief Technical Officer Mattia Gabriele Bertolini. Durch die Partnerschaft mit Protolabs nutzte das Team die additive Metallfertigung und CNC-Bearbeitung, um wichtige Triebwerkskomponenten schnell und zuverlässig herzustellen.

Grundlagen für die Raumfahrt der Zukunft schaffen

Das Versuchsprogramm sollte FAST Aerospace dabei helfen, die physikalischen Prozesse in Ramjet-Triebwerken mit flüssigem Treibstoff besser zu verstehen und Daten für die zukünftige Entwicklung von Antriebssystemen zu gewinnen.

„Ziel des Projekts war es, eine experimentelle Brennkammer zu bauen, in der wir verschiedene Tests durchführen und unterschiedliche physikalische Prozesse charakterisieren, Daten erfassen und lernen können [...], wie man diese Art von Triebwerken baut“, erklärte Bertolini.

Das Programm gipfelte in erfolgreichen Ramjet-Zündversuchen, die wertvolle Leistungsdaten lieferten, um die langfristige Vision von FAST Aerospace für fortschrittliche Hyperschallantriebssysteme zu unterstützen.

Fertigung für extreme Umgebungsbedingungen

Der Flammenhalter stellte eine der technisch anspruchsvollsten Komponenten innerhalb der Brennkammer dar, da er extremer Hitzeeinwirkung und einer komplexen inneren Geometrie ausgesetzt war.

„[Der Flammenhalter] arbeitet in einer Umgebung mit Temperaturen von über 2.000 °C und muss daher sehr, sehr hohen Temperaturbelastungen standhalten“, erklärte Bertolini.

Das Bauteil benötigte zudem Wasserkühlkanäle, um die Wärme während des Betriebs abzuleiten. Diese internen Strömungswege mussten unter Berücksichtigung der Anforderungen der additiven Fertigung ausgelegt werden und gleichzeitig die Leistungsanforderungen der Brennkammer erfüllen.

„Das Team von Protolabs war uns eine große Hilfe bei der Konstruktion und Umsetzung des Kühlwasserströmungswegs im Inneren des Bauteils, damit es 3D-druckbar ist“, sagte Bertolini.

Beschleunigung der Konstruktionsiteration

Als junges Unternehmen der Luft- und Raumfahrt benötigte FAST Aerospace einen Fertigungsprozess, der mit der rasanten technischen Entwicklung Schritt halten konnte. Für Colombo waren die Schnelligkeit von Protolabs, der Angebotsprozess und die Materialverfügbarkeit ausschlaggebend für diese Entscheidung.

„Die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Angebotserstellung, die Produktionszeit, die Kosten und die Materialverfügbarkeit waren entscheidend“, erklärte Colombo, der bei FAST Aerospace die Lieferkettenaktivitäten für das Projekt leitete. „Die Iterationsphasen im Design dauerten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellern nur Tage statt Monate“, fügte er hinzu.

Die Möglichkeit, CAD-Dateien hochzuladen, die Herstellbarkeit zu prüfen und die Kostenauswirkungen zu bewerten, ermöglichte es dem Team, Entwürfe zu verfeinern, ohne die üblichen Angebotszyklen abwarten zu müssen.

„Wenn wir ein Bauteil entwerfen, können wir einige Änderungen an den CAD-Dateien vornehmen, um den Preis zu senken“, erklärte Bertolini. „Wir können diese Iteration durchführen, ohne auf das Feedback zu einem per E-Mail versandten Angebot warten zu müssen.“

„Ein Prozess, den wir mit Protolabs an einem Tag erledigen können, würde bei einem traditionelleren Ansatz vielleicht einen Monat dauern“, fügte Bertolini hinzu.

Technische Unterstützung über die Fertigung hinaus

Der Wert der Partnerschaft ging über die Produktion hinaus. Während FAST Aerospace sein Lieferantennetzwerk aufbaute und seine Antriebskomponenten entwickelte, half die direkte Zusammenarbeit mit den Ingenieuren von Protolabs dem Team, die Herstellbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die technischen Anforderungen einzuhalten.

„Wir haben viel Unterstützung von Ihren Technikern erhalten“, erklärte Colombo. „Sie halfen uns, die Herausforderungen zu verstehen und Komponenten zu entwickeln, die kostengünstiger waren, aber dennoch unseren Anforderungen entsprachen.“

Dank dieser Unterstützung konnte FAST Aerospace die Komponenten für die Produktion optimieren und gleichzeitig die hohen Leistungsstandards einhalten, die für Antriebskomponenten in der Luft- und Raumfahrt erforderlich sind.

Unterstützung bei Schnelltests und Validierung

Kurze Vorlaufzeiten erwiesen sich während der experimentellen Testphase als besonders wertvoll, da die Zeitpläne eng waren und wichtige Hardware schnell im Testzentrum eintreffen musste.

„Wir konnten Komponenten bereits Tage vor dem Test entwerfen, sie direkt an das Testzentrum versenden, dort in Empfang nehmen und in die Testhardware einbauen“, sagte Colombo. „Ohne diese Art der Fertigung wäre das praktisch unmöglich gewesen.“

„Außerdem hätten wir bei Bedarf kritische Komponenten innerhalb von ein oder zwei Tagen austauschen können, während andere Hersteller bis zu einem Monat gebraucht hätten, um sie herzustellen“, fügte er hinzu.

Die Kombination aus schneller Produktion, reaktionsschneller technischer Unterstützung und zuverlässiger Lieferung half FAST Aerospace dabei, während der gesamten Test- und Validierungsphase das Tempo aufrechtzuerhalten.

Mehr Gestaltungsfreiheit durch additive Fertigung

Für Bertolini hat DMLS nicht nur eine fertigungstechnische Herausforderung gelöst, sondern es dem Ingenieurteam auch ermöglicht, komplexere Konstruktionen zu realisieren, insbesondere im Bereich der internen Kühlkanäle des Flammenhalters.

„Fortschrittliche Fertigungsverfahren verbessern die Gestaltungsfreiheit [erheblich]“, erklärte Bertolini. „Ein Antriebsingenieur kann über die beste Möglichkeit zur Wärmeabfuhr aus einem Bauteil nachdenken und dieses ohne allzu große Einschränkungen konstruieren.“

Die herkömmliche Zerspanung hätte die Gestaltung der Kühlkanäle eingeschränkt und gleichzeitig die Kosten und die Komplexität erhöht. Durch den Einsatz der additiven Fertigung gelang es FAST Aerospace, ein Bauteil zu entwickeln, das dem optimalen Antriebskonzept näher kommt.

Herausforderung

Die Entwicklung einer Ramjet-Brennkammer für Flüssigtreibstoff stellte die Ingenieure und Fertigungsspezialisten vor erhebliche Herausforderungen. Entscheidende Bauteile mussten Temperaturen von über 2.000 °C standhalten und dabei ihre strukturelle Integrität sowie die präzise Leistungsfähigkeit im Triebwerk gewährleisten.

Der Flammenhalter gehörte zu den anspruchsvollsten Bauteilen. Er musste in der Lage sein, die Flamme im Brennraum zu stabilisieren und gleichzeitig über interne Kühlkanäle zu verfügen, um das Bauteil vor extremen thermischen Belastungen zu schützen. Die erforderliche Geometrie war zu komplex, um sie mit herkömmlichen Fertigungsverfahren effizient herstellen zu können – insbesondere angesichts des engen Entwicklungszeitplans, der für die Tests erforderlich war.

Lösung

FAST Aerospace arbeitete mit Protolabs zusammen, um Schlüsselkomponenten für seine experimentelle Ramjet-Brennkammer herzustellen, darunter den Flammenhalter, die Einspritzdüse und die Brennkammerdüse. Das Team nutzte das Direktmetall-Lasersintern (DMLS), die CNC-Bearbeitung und den 3D-Druck, um sowohl Metall- als auch Kunststoffkomponenten für dieses Projekt zu fertigen.

Der Flammenhalter wurde mittels DMLS aus Inconel 718 gefertigt – einer hochleistungsfähigen Nickellegierung, die aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit ausgewählt wurde. Um die internen Kühlkanäle unterzubringen, wurde das Bauteil in zwei Teilen gefertigt und anschließend zusammengeschweißt. Die Ingenieure von Protolabs arbeiteten eng mit FAST Aerospace zusammen, um das Design im Hinblick auf die Fertigungsfähigkeit zu optimieren, ohne dabei Abstriche bei den Leistungsanforderungen zu machen.

Ergebnis

Durch die Zusammenarbeit mit Protolabs gelang es FAST Aerospace, komplexe Antriebskonzepte in testfertige Hardware umzusetzen, wodurch die Weiterentwicklung des Designs beschleunigt und ein anspruchsvolles Testprojekt für Ramjet-Brennkammern unterstützt wurde. Die Partnerschaft ermöglichte es FAST Aerospace, seine Ramjet-Antriebstechnologie voranzutreiben und Fortschritte bei der Entwicklung zukünftiger Hyperschallflugzeuge zu erzielen.

Wichtigste Ergebnisse

Herstellung eines Hochtemperatur-Ramjet-Flammenhalters mittels DMLS
Erzeugung komplexer interner Kühlkanäle, die mit herkömmlicher Bearbeitung nicht realisierbar sind
Beschleunigung der Konstruktionsiterationen von Wochen auf Tage
Verkürzung der Vorlaufzeiten für kritische Testhardware
Unterstützung erfolgreicher Ramjet-Verbrennungstests
Vorantreiben der zukünftigen Entwicklung von Hyperschallantrieben

Durch die Zusammenarbeit mit Protolabs gelang es FAST Aerospace, hochmoderne Komponenten für Staustrahltriebwerke zügig zu entwickeln, herzustellen und zu testen und dabei die Herausforderungen von Luft- und Raumfahrtanwendungen unter extremen Temperaturen zu meistern. Dabei wurden additive Fertigung, CNC-Bearbeitung, technische Unterstützung und kurze Durchlaufzeiten kombiniert.