FAST Aerospace: una prueba de propulsión con aire atmosférico en condiciones de calor extremo
FAST Aerospace es una empresa aeroespacial emergente con sede en Italia que desarrolla tecnologías avanzadas de propulsión para sistemas de acceso al espacio del futuro. Su visión a largo plazo es HyperDart, un vehículo de lanzamiento de dos etapas diseñado para facilitar el acceso independiente de Europa al espacio para satélites pequeños.
Para perfeccionar su tecnología de propulsión por estatorreactor, FAST Aerospace desarrolló una cámara de combustión experimental para un estatorreactor de combustible líquido capaz de generar datos de rendimiento críticos. El proyecto requería componentes complejos y resistentes a altas temperaturas que pudieran funcionar en entornos de combustión extremos y que, al mismo tiempo, permitieran realizar pruebas y validaciones rápidas.
En el proyecto participaron Luca Colombo, cofundador y director de operaciones (COO), quien supervisó las actividades de la cadena de suministro del programa, y el director técnico, Mattia Gabriele Bertolini. A través de su colaboración con Protolabs, el equipo empleó la fabricación aditiva de metales y el mecanizado CNC para fabricar componentes críticos del motor de forma rápida y fiable.
Sentar las bases de los futuros vuelos espaciales
El programa experimental se diseñó para ayudar a FAST Aerospace a comprender mejor los procesos físicos que ocurren dentro de los motores estatorreactores de combustible líquido y generar datos para futuros desarrollos de sistemas de propulsión.
«El proyecto consistía en construir una cámara de combustión experimental donde pudiéramos realizar distintas pruebas y describir los distintos procesos físicos, recabar datos y aprender [...] a construir este tipo de motores», explica Bertolini.
El programa culminó con unas pruebas satisfactorias de encendido del estatorreactor, las cuales proporcionaron valiosos datos de rendimiento que respaldan la visión a largo plazo de FAST Aerospace en materia de sistemas avanzados de propulsión hipersónica.
Fabricación para entornos extremos
El estabilizador de llama constituyó uno de los componentes de la cámara de combustión más desafiantes desde el punto de vista técnico, ya que combinaba una exposición a temperaturas extremas con una geometría interna compleja.
«[El estabilizador de llama] funciona en un entorno a más de 2000 °C, por lo que debe soportar cargas a temperaturas verdaderamente elevadas», detalla Bertolini.
Además, la pieza necesitaba canales de refrigeración por agua para controlar el calor durante su funcionamiento. El diseño de estas vías de flujo internas debía tener en cuenta los requisitos de la fabricación aditiva y seguir cumpliendo al mismo tiempo las necesidades de rendimiento de la cámara de combustión.
«El equipo de Protolabs nos ayudó mucho a diseñar y construir la vía de flujo del agua de refrigeración dentro de la pieza para que pudiese imprimirse en 3D», señala Bertolini.
Agilizar la iteración del diseño
Como empresa aeroespacial en fase inicial, FAST Aerospace necesitaba un proceso de fabricación que pudiera seguir el ritmo del rápido desarrollo de la ingeniería. Para Colombo, la rapidez de Protolabs, su proceso de elaboración de presupuestos y la disponibilidad de materiales fueron un factor clave en esa decisión.
«La rapidez en la elaboración del presupuesto, el plazo de producción, los costes y la disponibilidad de materiales fueron esenciales», explica Colombo, quien dirigió las actividades de la cadena de suministro del proyecto en FAST Aerospace. «Las fases de iteración del diseño se completaban en apenas unos días en lugar de meses, en comparación con los fabricantes tradicionales», añade.
La posibilidad de cargar archivos CAD, analizar la fabricabilidad y evaluar las implicaciones de costes permitió al equipo perfeccionar los diseños sin tener que esperar a que concluyeran los tradicionales ciclos de presupuestación.
«Cuando diseñamos una pieza, podemos hacer modificaciones en los archivos CAD para reducir el precio», comenta Bertolini. «Podemos realizar esta iteración sin tener que esperar a recibir un nuevo presupuesto por correo electrónico».
«Un proceso que podemos hacer con Protolabs en un día nos llevaría como un mes siguiendo un planteamiento más tradicional», añade Bertolini.
Asistencia en ingeniería más allá de la fabricación
El valor de la colaboración se extendió más allá de la producción. A medida que FAST Aerospace creaba su red de proveedores y desarrollaba sus sistemas de propulsión, la colaboración directa con los ingenieros de Protolabs ayudó al equipo a mejorar la fabricabilidad cumpliendo siempre los requisitos técnicos.
«Recibimos mucha ayuda de sus técnicos», explica Colombo. «Nos ayudaron a comprender los desafíos y a crear componentes más económicos pero también conformes a nuestros requisitos».
Esta ayuda permitió a FAST Aerospace optimizar los componentes para la producción sin dejar de cumplir los exigentes estándares de rendimiento requeridos para los sistemas de propulsión aeroespaciales.
Pruebas y validaciones rápidas
Los cortos plazos de entrega resultaron especialmente valiosos durante la fase de pruebas experimentales, donde el calendario es ajustado y los componentes críticos debían llegar rápido al centro de pruebas.
«Pudimos diseñar los componentes días antes de la prueba, enviarlos directamente al centro de pruebas, recibirlos y montarlos en los equipos de pruebas», señala Colombo. «Esto habría sido prácticamente imposible sin este tipo de fabricación».
«También podríamos haber sustituido componentes críticos en un día o dos si hubiese sido necesario, mientras que a otros fabricantes les habría llevado hasta un mes producirlos», añade.
La combinación de una producción rápida, una ágil asistencia en ingeniería y un entrega fiable ayudó a FAST Aerospace a mantener el impulso durante la fase de pruebas y validaciones.
Libertad de diseño gracias a la fabricación aditiva
Para Bertolini, el DMLS hizo algo más que resolver un desafío de fabricación; permitió al equipo de ingeniería realizar diseños más complejos, especialmente en lo que respecta a los canales de refrigeración internos del estabilizador de llama.
«Los métodos de fabricación avanzada aumentan (en gran medida) la libertad de diseño», afirma Bertolini. «Un ingeniero de propulsión puede pensar en la mejor forma de disipar el calor de una pieza y dibujarla sin demasiadas limitaciones».
El mecanizado tradicional habría limitado el diseño de los canales de refrigeración y habría incrementado el coste y la complejidad. Gracias a la fabricación aditiva, FAST Aerospace pudo crear un componente más cercano al nivel óptimo de propulsión.
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Resultados clave
- Fabricación mediante DMLS de un estabilizador de llama resistente a altas temperaturas para un estatorreactor
- Producción de canales de refrigeración internos complejos que no serían viables con el mecanizado tradicional
- Agilización de las iteraciones de diseño de semanas a días
- Reducción de los plazos de entrega para componentes de prueba críticos
- Contribución a la realización de pruebas satisfactorias de combustión en un estatorreactor
- Impulso del futuro desarrollo de la propulsión hipersónica
Gracias a la colaboración con Protolabs, FAST Aerospace pudo desarrollar, fabricar y probar con rapidez componentes avanzados para motores estatorreactores y superar los desafíos de las aplicaciones aeroespaciales a temperaturas extremas. La fabricación aditiva, el mecanizado CNC, la asistencia en ingeniería y unos plazos de ejecución rápidos fueron clave para su consecución.
