FAST Aerospace: test di un sistema di propulsione ramjet in condizioni di calore estremo
FAST Aerospace è una startup del settore aerospaziale con sede in Italia che sviluppa tecnologie di propulsione avanzate per i futuri sistemi di accesso allo spazio. La sua visione a lungo termine è HyperDart, un veicolo di lancio orbitale a due stadi progettato per favorire un accesso europeo indipendente allo spazio per i piccoli satelliti.
Per portare avanti lo sviluppo della propria tecnologia di propulsione ramjet, FAST Aerospace ha realizzato un combustore ramjet sperimentale a combustibile liquido in grado di generare dati prestazionali fondamentali. Il progetto richiedeva parti complesse, resistenti alle alte temperature e in grado di funzionare in ambienti di combustione estremi, consentendo al contempo attività rapide di test e validazione.
Al progetto hanno partecipato Luca Colombo, cofondatore e Chief Operating Officer (COO), responsabile della supervisione delle attività di supply chain nell’ambito del programma, e il Chief Technical Officer Mattia Gabriele Bertolini. Grazie alla collaborazione con Protolabs, il team ha utilizzato la produzione additiva in metallo e la lavorazione CNC per produrre in modo rapido e affidabile parti critiche del motore.
Gettare le basi per il futuro del volo spaziale
Il programma sperimentale è stato concepito per consentire a FAST Aerospace di comprendere meglio i processi fisici che avvengono all’interno dei motori ramjet a combustibile liquido e di generare dati utili per il futuro sviluppo dei sistemi di propulsione.
“L’obiettivo del progetto era realizzare un combustore sperimentale nel quale poter eseguire diversi test, caratterizzare differenti processi fisici, acquisire dati e imparare [...] come costruire questo tipo di motori”, ha spiegato Bertolini.
Il programma è culminato in test di accensione del ramjet eseguiti con successo, che hanno fornito preziosi dati prestazionali a supporto della visione a lungo termine di FAST Aerospace per lo sviluppo di sistemi avanzati di propulsione ipersonica.
Produrre per condizioni estreme
Lo stabilizzatore di fiamma rappresentava uno dei componenti tecnicamente più complessi del combustore, poiché combinava l’esposizione a temperature estreme con una geometria interna particolarmente articolata.
“[Lo stabilizzatore di fiamma] opera in un ambiente con temperature superiori a 2.000 °C, quindi deve essere in grado di sopportare carichi termici estremamente elevati”, ha spiegato Bertolini.
La parte doveva inoltre integrare canali di raffreddamento ad acqua per gestire il calore durante il funzionamento. Questi canali interni di flusso del refrigerante dovevano essere progettati tenendo conto dei requisiti della produzione additiva, continuando al contempo a soddisfare le esigenze prestazionali del combustore.
“Il team di Protolabs ci è stato di grande aiuto [nel supportarci] nella progettazione e realizzazione del percorso del flusso dell’acqua di raffreddamento all’interno del pezzo, in modo da renderlo adatto alla stampa 3D”, ha affermato Bertolini.
Accelerare le iterazioni progettuali
In quanto azienda aerospaziale in fase iniziale di sviluppo, FAST Aerospace aveva bisogno di un processo produttivo in grado di tenere il passo con la rapida evoluzione delle attività ingegneristiche. Per Colombo, la rapidità di Protolabs, il processo di preventivazione e la disponibilità dei materiali sono stati elementi fondamentali nella decisione.
“La rapidità nell’ottenere un preventivo, i tempi di produzione, i costi e la disponibilità dei materiali sono stati essenziali”, ha spiegato Colombo, che ha coordinato le attività della supply chain del progetto per FAST Aerospace. “Le iterazioni progettuali richiedevano giorni anziché mesi rispetto ai produttori tradizionali”, ha aggiunto.
La possibilità di caricare i file CAD, valutare la producibilità e l’impatto sui costi ha consentito al team di perfezionare i progetti senza dover attendere i tradizionali cicli di preventivazione.
“Quando progettiamo un pezzo, possiamo apportare modifiche ai file CAD per ridurne il costo”, ha spiegato Bertolini. “Possiamo effettuare queste iterazioni senza dover attendere il riscontro di un preventivo via e-mail.”
“Un processo che con Protolabs possiamo completare in un giorno richiederebbe forse un mese con un approccio più tradizionale”, ha aggiunto Bertolini.
Supporto ingegneristico che va oltre la produzione
Il valore della collaborazione è andato ben oltre la produzione. Mentre FAST Aerospace sviluppava la propria rete di fornitori e le parti del sistema di propulsione, la collaborazione diretta con gli ingegneri di Protolabs ha aiutato il team a migliorare la producibilità delle parti, preservandone al contempo i requisiti tecnici.
“Abbiamo ricevuto un notevole supporto dai vostri tecnici”, ha spiegato Colombo. “Ci hanno aiutato a comprendere le criticità e a capire come realizzare pezzi più economici, ma comunque conformi ai nostri requisiti.”
Questo supporto ha consentito a FAST Aerospace di ottimizzare le parti per la produzione, mantenendo al contempo gli elevati standard prestazionali richiesti per le parti destinate ai sistemi di propulsione aerospaziale.
Accelerare test e validazione
I tempi di consegna ridotti si sono rivelati particolarmente preziosi durante la fase di test sperimentale, in cui le tempistiche erano molto ristrette e i pezzi critici dovevano raggiungere rapidamente il centro di prova.
“Siamo riusciti a progettare i pezzi pochi giorni prima del test, spedirli direttamente al centro di prova, riceverli e installarli sull’attrezzatura di prova”, ha affermato Colombo. “Senza questo tipo di produzione sarebbe stato praticamente impossibile.”
“Se necessario, avremmo inoltre potuto sostituire parti critiche nel giro di uno o due giorni, mentre altri produttori avrebbero potuto impiegare fino a un mese per realizzarli”, ha aggiunto.
La combinazione di produzione rapida, supporto ingegneristico tempestivo e consegne affidabili ha aiutato FAST Aerospace a mantenere un ritmo di sviluppo costante durante l’intera fase di test e validazione.
Maggiore libertà di progettazione grazie alla produzione additiva
Per Bertolini, la DMLS non si è limitata a risolvere una sfida produttiva: ha consentito al team di ingegneri di realizzare progetti più complessi, in particolare per quanto riguarda i canali di raffreddamento interni dello stabilizzatore di fiamma.
“I metodi di produzione avanzati aumentano notevolmente la libertà di progettazione”, ha spiegato Bertolini. “Un ingegnere specializzato in sistemi di propulsione può individuare il modo migliore per dissipare il calore da un pezzo e progettarlo con molte meno limitazioni.”
La lavorazione tradizionale avrebbe imposto maggiori vincoli alla progettazione dei canali di raffreddamento, aumentando al contempo costi e complessità. Grazie alla produzione additiva, FAST Aerospace ha potuto realizzare un pezzo più vicino alla configurazione ottimale dal punto di vista della propulsione.
|
|
|
|
|
|
Principali risultati
- Realizzato mediante DMLS uno stabilizzatore di fiamma per ramjet destinato a operare ad alte temperature
- Prodotti complessi canali di raffreddamento interni non realizzabili con la lavorazione tradizionale
- Accelerate le iterazioni progettuali da settimane a giorni
- Ridotti i tempi di consegna dei pezzi critici destinati ai test
- Supportato il successo dei test di combustione del ramjet
- Contribuito allo sviluppo futuro della propulsione ipersonica
Grazie alla collaborazione con Protolabs, FAST Aerospace ha potuto sviluppare, produrre e testare rapidamente pezzi avanzati per motori ramjet, superando le sfide poste dalle applicazioni aerospaziali in condizioni di temperatura estrema grazie alla combinazione di produzione additiva, lavorazione CNC, supporto ingegneristico e tempi di consegna ridotti.
