Rakietowy silnik wydrukowany z plastiku na zwykłej drukarce FDM wygląda na papierze tak, jak gwarantowana katastrofa. Ot, próba zaprzęgnięcia materiału rodem z domowego warsztatu do świata, w którym królują stopy niklu, miedź, precyzyjne kanały chłodzenia i temperatury zdolne w kilka sekund zniszczyć większość nawet rozsądnych pomysłów. Jednak czy aby na pewno? Tym razem chodzi o projekt youtubera Mr. More Gooder, który postanowił sprawdzić, czy silnik rakietowy z drukarki 3D można uratować nie lepszym materiałem, lecz chłodzeniem ukrytym w jego ściankach.
Plastik kontra piekło w komorze spalania
Technologia druku 3D najciekawiej wypada nie wtedy, gdy zastępuje tradycyjne wytwarzanie jeden do jednego, lecz wtedy, gdy pozwala wydrukować geometrię wcześniej zwyczajnie nieopłacalną albo bardzo trudną. Kanały chłodzenia w ściankach komory spalania są tu niemal wzorcowym przykładem. W przemysłowym wydaniu druk 3D pozwala bowiem tworzyć złożone, wewnętrzne struktury, których nie da się łatwo frezować, wiercić i składać z wielu osobnych elementów.
Czytaj też: Houston, mamy rewolucję. Ten silnik hipersoniczny wyznaczy nowe standardy w branży
Właśnie dlatego ten domowy eksperyment jest tak ciekawy, bo tu nie chodzi o prostą myśl w stylu “wydrukujmy silnik i zobaczmy, czy przeżyje”. Pierwsze wersje bez chłodzenia nie miały bowiem większych szans. Komora spalania szybko miękła, tworzywo deformowało się po zapłonie, a cała konstrukcja poddawała się praktycznie natychmiast. Było to jednak do przewidzenia, bo zwykłe termoplasty z drukarek FDM nie są materiałami do pracy w pobliżu płomienia, gorących gazów i lokalnych gradientów temperatury, które potrafią zabijać nawet źle zaprojektowane metalowe części.
Mr. More Gooder poszedł więc w stronę aktywnego chłodzenia. Zamiast pytać, jaki plastik wytrzyma więcej, zapytał, czy da się odebrać ciepło zanim cała konstrukcja straci swój kształt. Efekt? W nowej wersji silnik otrzymał podwójną ściankę, a przez przestrzeń między wewnętrzną powierzchnią wystawioną na gorące gazy i zewnętrzną skorupą konstrukcyjną zaczęła płynąć woda. Początkowo mieszanka propanu i powietrza była odpalana iskrą między dwiema śrubami pełniącymi rolę elektrod, ale te szybko zaczęły przegrywać z temperaturą. W kolejnych próbach twórca sięgnął więc po znacznie prostsze rozwiązanie – zwykłą zapalarkę do grilla, używaną tylko jako zewnętrzne źródło zapłonu.
Jest to wręcz domowa wersja chłodzenia regeneracyjnego
W dużych silnikach rakietowych podobna filozofia jest codziennością, choć wykonanie należy już do zupełnie innej ligi. Chłodzenie regeneracyjne polega na przepuszczaniu chłodnego paliwa albo innego medium przez kanały w pobliżu gorących ścianek komory i dyszy. Medium odbiera ciepło, chroni materiał, a następnie często trafia dalej do spalania. Skomplikowany układ kanałów chłodzących jest drukowany bezpośrednio w strukturze komory spalania i to właśnie po to, by chłodzić jej ścianki i badać zjawiska przepływowe w częściach wytwarzanych przyrostowo.
Różnica polega na tym, że w przemyśle mówimy zwykle o metalach, kontrolowanej porowatości, kwalifikacji procesu, badaniach nieniszczących i materiałach dobranych pod wysokie strumienie ciepła. Tutaj mamy zaś plastik, wodę, prostą pompę i prototypy wykonywane w cyklu “wydrukuj, sprawdź, stop, popraw”. Najciekawsze wydaje mi się właśnie to zderzenie skali. Ta sama intuicja termodynamiczna, ale zupełnie inny świat materiałowy. W silniku z metalu chcemy utrzymać ściankę poniżej granicy, przy której traci wytrzymałość. W silniku z tworzywa walka zaczyna się znacznie wcześniej, bo temperatura mięknięcia materiału jest brutalnie niska w porównaniu z tym, co dzieje się w płomieniu.
Chłodzenie pomogło, ale fizyka zrobiła swoje
Wersja z chłodzoną komorą spalania faktycznie przetrwała dłużej niż wcześniejsze próby, co pokazuje, że pomysł nie był wyłącznie efektownym sposobem na nagranie stopionego plastiku. Schłodzona sekcja zachowała kształt znacznie lepiej, a silnik przez chwilę działał w sposób bardziej kontrolowany. Problem przesunął się jednak dalej – w stronę dyszy i tych fragmentów, które nie miały tak dobrego odbioru ciepła. Dolna część zaczęła się przegrzewać, deformować i kapać stopionym tworzywem z wylotu.
Czytaj też: Ich silnik zaczął wybuchać, a oni i tak mówią o sukcesie. Spokojnie – już wyjaśniam ten paradoks
Można to potraktować jako porażkę, ale w inżynierskim sensie była to raczej precyzyjna informacja zwrotna. Nie wystarczy ochłodzić “najważniejszej” części, jeśli gorące gazy nadal płyną przez elementy wykonane z tego samego wrażliwego materiału. Dlatego kolejna wersja dostała pełniejsze chłodzenie, obejmujące obszary wystawione na działanie gazów spalinowych. Konstrukcja została wydrukowana jako pojedynczy element z kanałami wodnymi, które miały chronić cały tor przepływu.
Ta wersja zapowiadała się lepiej, ale skończyła inaczej, bo przez przeciek w wewnętrznej ściance woda dostała się do obszaru spalania i zgasiła płomień. Tutaj zaczyna się właściwy problem, który czyni ten projekt bardziej wartościowym niż typowy internetowy eksperyment. Plastik FDM kiepsko przewodzi ciepło. Woda może płynąć za ścianką, ale jeśli wewnętrzna warstwa nie oddaje energii wystarczająco szybko, sama musi rozgrzać się bardzo mocno, zanim ciepło dotrze do chłodziwa. Gdy ścianka jest grubsza, chroni przed ciśnieniem i przeciekiem, ale pogarsza transfer ciepła. Gdy staje się cieńsza, lepiej chłodzi, lecz traci wytrzymałość i szczelność.
Właśnie w tym punkcie kończy się zabawka, a zaczyna materiałoznawstwo.
Przemysłowy druk 3D to już teraźniejszość
Nie chciałbym, żeby ktoś wyciągnął z tego eksperymentu wniosek, że “druk 3D nie nadaje się do silników rakietowych”. Jest dokładnie odwrotnie. Druk 3D już dawno wyszedł z etapu ciekawostki i w napędach rakietowych stał się narzędziem do upraszczania produkcji, skracania łańcucha dostaw części i projektowania kanałów, których klasyczne metody nie są w stanie tak wiernie oddać. Przykładowo firma Rocket Lab ma na koncie tysięczny silnik Rutherford, czyli 3D drukowany, elektrycznie pompowany silnik orbitalny, a jego główne komponenty (od komory spalania po wtryskiwacze, pompy i zawory) powstają właśnie metodami przyrostowymi.
Ten sam kierunek widać przy silniku RDRE z komorą drukowaną z miedzi, gdzie druk 3D jest podstawowym sposobem na wykonanie geometrii wymaganej przez trudny proces spalania. Ten sam szerszy trend przewija się przy rakietach wojskowych z drukarki 3D oraz przy silniku aerospike zaprojektowanym przez SI, gdzie druk metalu i projektowanie obliczeniowe spotykają się w jednym, bardzo wymagającym obszarze.
Tyle że przemysłowy druk metalu i domowy FDM to nie dwa warianty tej samej klasy sprzętu, ale dwa zupełnie różne kontynenty. W jednym świecie mamy proszki metali, kontrolę parametrów procesu, obróbkę cieplną, kwalifikację, testy i projektowanie pod konkretny materiał. W drugim warstwy termoplastu, anizotropię wydruku, ryzyko mikroszczelin, ograniczoną szczelność i materiał podatny na wysoką temperaturę.
Największym wrogiem nie jest ogień, tylko masa
Nawet gdyby udało się dopracować taki plastikowy silnik tak, by wytrzymywał dłuższą pracę na stanowisku, to pozostaje jeszcze pytanie o sens lotu. Woda, zbiornik, pompka, przewody, złączki i dodatkowe ścianki ważą. W rakietach zaś masa jest jedną z najokrutniejszych walut. Każdy gram przeznaczony na układ chłodzenia trzeba potem rozpędzić razem z resztą pojazdu. W klasycznym silniku regeneracyjnym ten problem rozwiązuje się elegancko, bo chłodziwo nie jest osobnym balastem. Paliwo i tak musi trafić do komory spalania, więc po drodze może odebrać ciepło, a w projekcie tego YouTubera woda nie jest paliwem, a osobnym dodatkiem.
Czytaj też: Ten silnik zmieni oblicze samolotów. XA103 ma asa w łopatkach i wreszcie go pokaże
Nie zmienia to jednak faktu, że sam eksperyment jest udany w tym sensie, w jakim udane bywają dobre prototypy. Pokazał, że chłodzenie ścianek ma znaczenie nawet w tak absurdalnie niesprzyjającym materiale. Pokazał, gdzie konstrukcja zaczyna się poddawać i że następnym ograniczeniem po rozwiązaniu głównego problemu nie musi być już sam płomień, lecz szczelność, przewodność cieplna i wytrzymałość cienkich ścianek.
Źródła: Interesting Engineering, YouTube
