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Eplus3D y UCL Rocket desarrollan y ensayan con éxito un motor de cohete con refrigeración regenerativa y un inyector de remolino

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Noticias de empresa

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Introducción: Eplus3D, en colaboración con el University College London (UCL) y el equipo UCL Rocket dirigido por estudiantes, ha diseñado y fabricado con éxito Excelsior, un motor cohete bipropelente con refrigeración regenerativa para el concurso Race 2 Space 2025 del Reino Unido. Fabricado en AlSi10Mg mediante fusión por lecho de polvo láser (LPBF) en el sistema EP-M400S de cuatro láseres, el proyecto demostró cómo la fabricación aditiva permite canales de refrigeración avanzados, características integradas y un desarrollo rápido. Como socio técnico, Eplus3D proporcionó asesoramiento sobre el proceso y la ejecución de la fabricación de la compleja cámara de empuje y los componentes del inyector de Excelsior. Excelsior alcanzó su empuje objetivo de 5 kN durante las pruebas de encendido en caliente, ocupando el cuarto puesto en la categoría de bipropulsores nitrosos, y fue uno de los únicos ocho motores de diecisiete que superaron todas las pruebas.

Cohete de la UCL: La UCL es una de las diez mejores universidades del mundo, situada en el corazón de Londres y famosa por su investigación y formación de primer orden. En Ingeniería Mecánica de la UCL, la investigación está impulsada por la ambición de abordar algunos de los retos más acuciantes de la sociedad, desde el desarrollo de sistemas de propulsión de nueva generación para apoyar la descarbonización del transporte hasta el diseño de dispositivos médicos que mejoren la atención al paciente y la calidad de vida.

Un elemento central de la enseñanza de Ingeniería Mecánica de la UCL es MechSpace, un conjunto de laboratorios y talleres de enseñanza donde los estudiantes adquieren experiencia práctica en diseño y creación de prototipos. Ya sea para el trabajo del curso o para proyectos extracurriculares dirigidos por estudiantes, como los de los seis equipos de UCL Racing (UCLR), MechSpace proporciona las herramientas y el entorno para que los estudiantes innoven y colaboren en una amplia gama de dominios, incluyendo cohetería, drones, vehículos autónomos, submarinos y coches de Fórmula Student. Este énfasis en la ingeniería práctica se refleja en el éxito constante en el Desafío de Diseño del Instituto de Ingenieros Mecánicos (IMechE), donde los estudiantes de primer curso de la UCL han ganado el título nacional cuatro años consecutivos, y aspiran a una quinta victoria consecutiva a finales de este año. Eplus3D se unió al proyecto como socio técnico de fabricación, proporcionando asesoramiento en diseño para fabricación aditiva y ejecutando la construcción del LPBF en sus instalaciones alemanas.

Desafíos técnicos: El proyecto presentaba varios retos técnicos. Las temperaturas en la cámara de combustión superaban los 2.500 K, lo que requería una sólida estrategia de refrigeración para evitar fallos en los materiales. El diseño incluía cincuenta y ocho canales de refrigeración internos, elementos inyectores de remolino coaxiales y estrechas tolerancias dimensionales que exigían una capacidad de fabricación avanzada. La selección de materiales debía equilibrar la conductividad térmica, la resistencia mecánica, la densidad y la maquinabilidad, mientras que el proceso de fabricación debía ser rápido y rentable para cumplir el plazo limitado de un proyecto estudiantil.

Diseño y rendimiento del motor: El motor Excelsior utiliza alcohol isopropílico (IPA) como combustible y refrigerante, y óxido nitroso (N₂O) como oxidante. Está diseñado para un empuje objetivo de 5 kN, una presión de cámara de 25 bares y un impulso específico teórico de 204 segundos. El motor se imprime en dos partes: el conjunto de la cámara de empuje, que incluye la cámara y la tobera, y el inyector de remolino coaxial. Se unen mediante una brida atornillada con juntas tóricas de Viton para un funcionamiento sin fugas.

El inyector de remolino coaxial incorpora quince elementos. Cada elemento tiene un orificio interior que suministra N₂O axialmente en la cámara, rodeado por un orificio exterior que inyecta IPA en una lámina cónica arremolinada. Este movimiento de remolino se consigue a través de tres puertos de entrada tangencial que alimentan una cámara de vórtice aguas arriba del orificio, impartiendo una alta velocidad tangencial para una atomización rápida. La geometría se optimizó utilizando el modelo LISA (Linearised Instability Sheet Atomisation) para maximizar la ruptura de gotas y mantener un funcionamiento estable. También se realizaron modelos de respuesta dinámica para garantizar que el comportamiento del inyector bajo oscilaciones de presión no coincidiera con los modos de resonancia acústica del motor, que podrían causar inestabilidad en la combustión.

Estrategia de refrigeración avanzada: Para sobrevivir a flujos de calor elevados, el Excelsior utiliza un sistema de refrigeración triple. La refrigeración regenerativa hace circular todo el flujo de IPA de 0,59 kg/s a través de un colector de admisión impreso a la salida de la tobera y hacia cincuenta y ocho canales de refrigerante axiales de paso único integrados en las paredes del motor. La refrigeración por película la proporcionan quince orificios mecanizados de 0,6 mm en la cara del inyector, que dirigen el diez por ciento del flujo de IPA a lo largo de la pared de la cámara para formar una película líquida protectora. Por último, la pared interior se recubre con una barrera térmica cerámica a base de óxido de circonio Zircotec ThermoHold® H2000 rociada con plasma, que reduce el flujo de calor y mitiga el estrés térmico, especialmente en la garganta, la región más crítica del motor.

Selección de materiales
Se eligió AlSi10Mg en lugar de aleaciones aeroespaciales tradicionales como Inconel 718 y CuCrZr debido a su alta conductividad térmica de aproximadamente 165 W/m-K tras el alivio de tensiones, que permite una rápida transferencia de calor al refrigerante. Su baja densidad de 2,7 g/cm³ permite un importante ahorro de peso, y su mecanizabilidad favorece un acabado eficaz de las superficies de sellado y las características de precisión. El principal inconveniente del AlSi10Mg es la reducción de su límite elástico a temperaturas elevadas cercanas a los 600 K, lo que hizo necesario un detallado análisis termomecánico de tensiones para verificar su capacidad de supervivencia.

Fabricación en la EP-M400S
El proceso de fabricación se llevó a cabo en el sistema EP-M400S quad-laser LPBF, equipado con cuatro láseres de 700 W. Se utilizó un grosor de capa de 60 µm. Se utilizó una capa de 60 µm de grosor para conseguir una resolución fina del canal interno y las superficies lisas necesarias para el rendimiento del inyector. La experiencia y las aportaciones de Eplus3D en DfAM garantizaron la optimización del diseño para su impresión, minimizando el riesgo de defectos y reduciendo los requisitos de postprocesado. La impresión del motor como dos conjuntos integrados permitió reducir considerablemente el número de piezas y la complejidad del montaje en comparación con los métodos de fabricación convencionales.

Pruebas y resultados: El primer motor de refrigeración regenerativa de UCL Rocket, Excelsior, se puso en marcha con éxito en Airborne Engineering Ltd. para la Carrera 2 Espacio 2025, superando tres pruebas de combustión en caliente para alcanzar su empuje objetivo de 5 kN.

Aspectos destacados de la prueba 1:

- Caudal másico de IPA alcanzado.
- Se alcanzó el 90% del caudal másico de N2O previsto; se aumentó la presión del depósito para impulsar un mayor caudal másico en las pruebas posteriores.
- Las caídas medias de presión desde la entrada de combustible hasta el inyector se midieron en 0,9 bares, dentro del 6,6% de las predicciones de la simulación CFD.
- Pequeñas fugas de IPA y N2O debidas a juntas defectuosas (sustituidas después de la prueba).

Aspectos destacados de la prueba 2:
- Se alcanzó el caudal másico de N2O previsto.
- Obstrucción parcial en los orificios del inyector de IPA de 0,84 mm debido a virutas residuales en el colector del inyector. La obstrucción desapareció a mitad de la combustión.

Aspectos destacados de la prueba 3:
- Los caudales másicos de IPA y N2O aumentaron proporcionalmente para alcanzar el empuje objetivo de 5 kN, con un pico medio de 4,92 kN en los últimos 100 ms del encendido.
- Se alcanzó el máximo caudal másico posible de N2O dentro de los límites del sistema de alimentación.
- Se alcanzó un impulso específico máximo de 174,47 s y un rendimiento c* del 85,66%, el mejor de las 3 pruebas.

En la competición, Excelsior quedó cuarto en la categoría de bipropulsantes nitrosos y fue uno de los únicos ocho motores de diecisiete que superaron todas las pruebas de combustión en caliente. El proyecto puso de relieve varias lecciones clave, como la importancia de una limpieza a fondo para evitar el bloqueo de los inyectores, la necesidad de soluciones de sellado fiables y la capacidad del LPBF para permitir el desarrollo rápido de hardware aeroespacial de alto rendimiento en un entorno dirigido por estudiantes.

El éxito de Excelsior demuestra que el LPBF avanzado en AlSi10Mg puede producir motores cohete de alto rendimiento con refrigeración regenerativa dentro de las limitaciones de un proyecto universitario. Al combinar un diseño innovador, una fabricación optimizada y ensayos rigurosos, la colaboración entre Eplus3D y UCL Rocket demuestra cómo la fabricación aditiva puede acelerar el desarrollo de la propulsión aeroespacial.