Desenvolvimento de um motor de foguete construído do zero
(blog.ablspacesystems.com)- O motor E2 da ABL é um motor de foguete de ciclo gerador de gás que usa Jet-A e oxigênio líquido, e o motor de qualificação atingiu 4 vezes a vida útil sem perda de desempenho mesmo após 28 ignições e 1300 segundos de queima
- O programa de propulsão iniciado em 2018 foi próximo de um desenvolvimento em folha em branco, no qual a empresa criou por conta própria não só o motor, mas também a infraestrutura de testes, o software de testes e o campo de testes, e em 4 anos instalou 10 motores aptos para voo no foguete
- As escolhas iniciais priorizaram simplicidade, com turbobomba de eixo único, câmara de combustão em Inconel impressa em 3D e injetor do tipo pintle, mas a estrutura do injetor e o projeto da turbobomba continuaram mudando conforme os resultados dos testes
- Quando a terceirização da fabricação do impelidor e da turbina passou a exigir cerca de US$ 18 mil e 4 meses de lead time para cada um, a ABL internalizou a usinagem com uma fresadora de 5 eixos e equipe própria, e reprojetou e retestou um impelidor problemático em apenas 10 dias
- O centro do desenvolvimento foi o teste de hotfire repetitivo, e a ABL continua acumulando dados de centenas de ignições e várias horas de queima com 50 motores, 3 sites e 6 bancadas de teste para seguir aprimorando o projeto
Estado atual e configuração básica do motor E2
- O motor E2 é o motor de foguete da ABL, simples, robusto e resiliente
- Recentemente, um motor E2 de qualificação atingiu 4 vezes a vida útil em tempo total de queima e número de ignições
- Esse motor não mostrou sinais de perda de desempenho após 28 ignições e 1300 segundos de operação
- Os propelentes são Jet-A e oxigênio líquido
- Os dois são tratados como os propelentes mais comuns de obter no mundo todo
- O motor usa ciclo gerador de gás e é acionado por uma turbobomba de eixo único
- O foguete RS1 usa o E2 em três variações
- 2º estágio: E2 Vacuum
- 1º estágio: E2 Sea Level Radial
- Centro do 1º estágio: Center, uma versão de dupla câmara do Radial
- Cada motor produz mais de 16.000 lbf de empuxo no vácuo, e é projetado, fabricado e testado internamente pela ABL
Um programa de motores iniciado em folha em branco
- O programa de motores da ABL começou em 2018 apoiando-se mais em intuição mecânica, curiosidade e resolução prática de problemas do que em experiência direta com motores
- O aprendizado inicial foi centrado em livros-texto, monografias da NASA e artigos de pesquisa
- As monografias da NASA trazem informações sobre problemas de projeto, soluções, regras práticas e seleção de materiais para motores de foguete e seus componentes nos anos 1960
- A maioria dos projetos de motores de foguete parte de motores existentes, demonstradores tecnológicos, componentes comprados de terceiros ou IP, mas a ABL partiu na prática de uma folha em branco
- Algumas peças pequenas, como vedações, rolamentos e sensores, foram compradas de fornecedores
- O corpo do motor, a infraestrutura de testes, o software de testes e o campo de testes foram projetados e construídos pela própria empresa
- Para evitar uma situação com opções demais, os principais pontos de projeto foram fixados rapidamente no início
- O ciclo gerador de gás foi escolhido por oferecer eficiência intermediária e permitir testar e ajustar cada componente de forma relativamente independente
- As principais áreas de trabalho foram divididas em turbobomba, câmara de combustão principal, injetor da câmara principal e gerador de gás
- O dimensionamento inicial foi feito reunindo equações em planilhas do Excel
- Calculavam-se em sequência o empuxo desejado, vazão de propelente, diâmetro de saída da câmara de combustão e o dimensionamento do impelidor da turbobomba
- Depois descobriram que, no setor, isso é chamado de power balance ou 1D code
Tentativas e erros no projeto de turbobomba, injetor e câmara de combustão
- A turbobomba gira a cerca de 50.000 RPM, eleva o propelente de cerca de 50 psi para 2000 psi e envia vários galões por segundo para a câmara de combustão
- A bomba de combustível de um carro de corrida de Fórmula 1 também lida com pressões de milhares de psi, mas com vazão inferior a 1 galão por minuto
- Uma turbobomba de foguete pode incluir, além de impelidor, turbina, rolamentos e passagens de fluido, estruturas auxiliares complexas como slinger, balance piston, labyrinth seal e recirculation channel
- O princípio de projeto da turbobomba na ABL era não adicionar funções até que a necessidade ficasse clara
- O 1D code gerava velocidade, tamanhos de entrada e saída, ângulos das pás e eficiência esperada
- O formato final das pás exigia software especializado e ajustes iterativos
- O projeto do impelidor e da turbina era tratado como um trabalho que misturava equações, regras práticas e intuição
- No injetor inicial da câmara de combustão principal foi escolhida uma estrutura pintle
- Injetores convencionais do tipo showerhead ou impinging jet exigem centenas de pequenos furos, caminhos internos complexos e diâmetros, ângulos e posições muito precisos
- Com base no material acessível na época, concluiu-se que a impressão 3D não era adequada para fornecer o acabamento superficial e as dimensões de precisão necessários
- O pintle criava atomização pelo choque entre duas lâminas de propelente, uma axial e outra radial, e podia ser projetado e fabricado de forma mais próxima à de uma válvula
- A câmara de combustão principal foi projetada com base em Inconel impresso em 3D
- A decisão foi usar equipamentos e materiais amplamente difundidos e bem compreendidos, evitando equipamentos ou materiais muito avançados
- O Inconel é uma superliga de níquel desenvolvida para motores a jato, com boa resistência, resistência térmica e soldabilidade, além de ser fácil de obter para impressoras 3D
- O ponto negativo é a usinagem difícil e a baixa condutividade térmica
- O projeto de resfriamento da câmara de combustão era um problema de compromisso entre temperaturas de combustão na faixa de 6000°F e os limites do metal
- O metal enfraquece bastante a 1200°F e pode derreter a 2500°F
- Foi usado um método em que parte do propelente flui pelo interior das paredes da câmara para resfriá-la
- A parede interna precisava ser fina o bastante para transferir o resfriamento, mas espessa o suficiente para não romper sob pressão
- Os canais de resfriamento precisavam ser estreitos o suficiente para elevar a velocidade do fluxo, mas sem criar contrapressão excessiva a ponto de aumentar a carga sobre a turbobomba
- Um engenheiro da câmara de combustão criou um código que otimizava continuamente os parâmetros de resfriamento ao longo do comprimento, e conectou o resultado à modelagem 3D e à impressão
- A solução inicial de resfriamento não mudou nem depois de 5 anos
- Até hoje, o projeto original de resfriamento da câmara de combustão foi mantido
Internalização e melhoria da fabricabilidade
- No início, os principais componentes eram impressos e usinados por fabricantes aeroespaciais espalhados pelos EUA
- Pequenas seções de câmara de combustão, geradores de gás, seções de câmara e peças de injetor foram produzidos em sequência
- Os orçamentos de oficinas especializadas para impelidor e turbina indicavam cerca de US$ 18 mil e 4 meses de lead time para cada peça
- Mais do que o custo, o maior problema era o lead time de 4 meses
- Esperavam-se várias revisões de projeto, e se cada iteração levasse 4 meses isso não se encaixaria no ritmo de desenvolvimento de uma startup
- A ABL alugou sua primeira fresadora de 5 eixos e contratou pessoal de usinagem para internalizar a fabricação
- No primeiro conjunto, é possível que o custo das fresas quebradas tenha sido maior do que o orçamento terceirizado
- Com o tempo, tanto o método de usinagem quanto os projetos melhoraram
- O espaçamento entre as pás da turbina era apertado demais, o que fazia o programa de usinagem levar quase um mês e quebrava com frequência pequenas fresas de topo
- Foi realizado um estudo para reduzir a quantidade de pás da turbina
- Mesmo com menos pás, o impacto no desempenho foi pequeno
- Isso permitiu usar ferramentas maiores e menos frágeis, reduzindo o tempo de usinagem para menos de um dia
- Após a internalização, impelidores e turbinas passaram a poder ser produzidos em poucos dias e a custo muito menor
- Nos testes iniciais da bomba, houve um problema em que o impelidor de combustível não captava corretamente o fluxo de entrada, tornando imprevisível o desempenho do motor
- Depois de concluírem que ele não serviria para voo, foram necessários 10 dias para reprojeto, usinagem, montagem da bomba, balanceamento e novo teste
- Se fosse terceirizado, isso teria causado meses de atraso ou forçado a transferir o impacto do problema para outros sistemas do foguete ou para seu desempenho
- Depois disso, o escopo da internalização se ampliou ainda mais
- A ABL opera internamente várias impressoras 3D, várias fresadoras de 5 eixos e tornos multieixo
- O balanceamento dos rotores da turbobomba também é feito internamente
- Processos e técnicas que no começo pareciam difíceis se tornaram rotina com a repetição
Equipe pequena e desenvolvimento orientado por testes
- A equipe de propulsão da ABL foi organizada para permanecer pequena pelo maior tempo possível
- Em 2018, começou com 2 pessoas
- Durante os dois primeiros anos, até acionar o primeiro motor totalmente integrado, a equipe tinha 5 pessoas
- Hoje, a equipe tem 15 pessoas
- As características de um engenheiro bem-sucedido foram definidas em torno de uma arquitetura de motor simples e de uma abordagem baseada em first principles
- Muitas vezes são mais eficazes engenheiros que não ficam só na mesa, mas lidam diretamente com hardware, campo e testes
- Engenheiros experientes devem usar a experiência não como resposta completa, mas como parte do quebra-cabeça
- Mesmo quando responsáveis por uma peça específica, precisam entender como ela afeta fabricação, operação, desempenho e equipes de interface do foguete
- Em vez de se apegar por muito tempo ao que acreditam estar certo, devem agir rápido ou se manifestar independentemente da estrutura organizacional ou da senioridade
- O indicador mais importante é uma forte intuição em mecânica e dinâmica dos fluidos
- A primeira campanha de testes do E2 começou no verão de 2019 em Spaceport America, no Novo México
- Isso aconteceu menos de um ano após o início do projeto do motor
- A primeira bancada de testes foi instalada sobre uma plataforma plana de concreto
- O gerador de gás e a câmara de empuxo foram testados em modo pressure-fed, sem turbobomba
- Houve experiência com ignição TEA-TEB, operação com fluidos criogênicos e implantação em um local austero
- O snap ring não funcionava bem dentro da câmara de combustão, e o pintle derretia com facilidade, mostrando que não era tão simples quanto se esperava
- Em 2020, a equipe se mudou para o site 1-56 da AFRL, perto da Edwards Air Force Base
- Foi instalada uma bancada de testes pressure-fed e um tanque de foguete de desenvolvimento para testes pump-fed
- A primeira turbobomba foi acionada e de fato conseguiu bombear
- Houve derretimento da turbina e instabilidade de potência, mas a bancada de testes, o escape da turbina e a turbobomba foram modificados separadamente
- Entre os testes em Spaceport America e na AFRL, foi projetado e fabricado um novo injetor sem pintle
- Depois de confirmar que a câmara e o gerador de gás funcionavam, diminuíram as preocupações com outros tipos de injetor
- O novo método de fabricação era menos trabalhoso do que o tradicional, e o novo injetor funcionou de imediato
- Depois disso, esse injetor não mudou mais
- Um dos maiores resultados na AFRL foi o acionamento de um motor totalmente integrado
- Com o tanque de desenvolvimento do segundo estágio, a bomba, o gerador de gás e o TCA fecharam o ciclo e operaram com sua própria potência
- A partir desse ponto, a ABL entrou na fase de testes de motores totalmente integrados
Motores de voo e desenvolvimento iterativo após Mojave
- O ano de 2021 foi focado em construir um novo campo de testes em Mojave, na Califórnia, e iniciar os testes
- Foram aplicados upgrades na turbobomba
- O projeto ao redor do foguete também amadureceu
- No fim de 2021, começou a campanha de testes dos motores do Flight 1
- A campanha de testes do Flight 1 foi bem diferente das anteriores
- Várias bancadas de teste foram usadas
- Muitos motores foram testados
- Foram realizados testes de duração total de voo
- O tempo total de operação dos motores passou a ser medido em milhares de segundos, e não mais em dezenas de segundos
- Em 2022, o empuxo do motor foi ampliado para obter mais potência
- Também começou a construção de um novo campo de testes dedicado a testes de produção
- Isso deu à empresa a capacidade de executar testes de desenvolvimento e testes de produção totalmente em paralelo
- Em 2023, os mesmos componentes do motor foram reempacotados em uma configuração mais modular
- Isso facilitou a fabricação e os testes
- Depois, funções essenciais como o sistema TEA-TEB foram otimizadas para elevar a confiabilidade e o desempenho de longo prazo
- Até agora, a ABL construiu 50 motores individuais e os opera em 6 bancadas de teste distribuídas por 3 sites
- Acumularam-se centenas de ignições e várias horas de hotfire
- O desenvolvimento iterativo do E2 não está concluído e talvez nunca esteja totalmente concluído
- Ainda há espaço contínuo para pequenas melhorias em fabricação, desempenho, massa e custo
- Entre os problemas enfrentados no desenvolvimento estiveram pó de impressão em rolamentos da bomba, volute e impelidor com baixo desempenho, liner, turbine, manifold e tube derretendo, chugging pump, gas generator instável, seal com vazamento e hard start
- A solução de cada um desses problemas fortaleceu os engenheiros, o motor e a empresa
- O maior erro foi, em casos em que se julgou que não era estritamente necessário, não continuar testando e deixar a descoberta do problema para uma etapa posterior de impacto maior
- A ABL continua expandindo a equipe com uma mistura de talented generalist engineer e propulsion engineer
- As hipóteses e o conhecimento organizacional acumulados nos últimos 6 anos continuam sendo usados e, ao mesmo tempo, desafiados
1 comentários
Opiniões do Hacker News
O servidor de relatórios da NASA é um tesouro nacional, especialmente os materiais dos anos 50 e 60 citados no texto.
Estão entre os exemplos mais claros e concisos de escrita técnica, e também permitem inferir bastante sobre como os projetos eram conduzidos na época.
Os relatórios desclassificados do NRO também são excelentes, e dá para ver como os princípios da Lockheed Skunk Works funcionavam na prática.
Ex.: https://www.nro.gov/Portals/135/documents/foia/declass/WS117...
Tenho alguns dos livros didáticos do Rad Lab, que ainda são úteis hoje; como foram escritos para uma geração para a qual a eletricidade ainda era um conceito relativamente novo, o ritmo das explicações é bastante cuidadoso.
Outra coisa que dá saudade é como os livros antigos eram realmente bem-feitos, com encadernação em couro, papel grosso mas liso, etc.
O trecho em que o espaçamento entre as pás da turbina era tão estreito que o programa de usinagem rodava por quase um mês, exigindo uma fresa de topo minúscula que quebrava com facilidade, é no fim das contas um exemplo de uma lição aprendida do jeito difícil sobre a importância de ciclos curtos de feedback e do conhecimento incorporado dentro da equipe.
O ponto central é que reduzir o número de pás para aumentar o espaçamento teve pouco impacto no desempenho e, ao permitir o uso de ferramentas maiores e mais robustas, reduziu o tempo de usinagem para menos de um dia, melhorando muito custo e cronograma.
Se o engenheiro mecânico que projetou a peça fosse do tipo que também faz coisas por conta própria no tempo livre, é bem provável que tivesse percebido imediatamente esse problema de usinabilidade.
Claro que não dá para prever tudo de antemão, então, quando possível, loops de feedback bem próximos são muito bons.
Mais do que uma lição aprendida com dificuldade, foi como se a empresa tivesse sido projetada desde o início nessa direção.
Como texto sobre construir hardware extremamente complexo do zero, é excelente, mas, do ponto de vista de negócio, tanto este blog quanto o site da ABL deixam a desejar na resposta à primeira pergunta: “por quê?”.
Com a SpaceX já existindo e a viabilidade da Starship em cima do Falcon se aproximando rapidamente, fico curioso sobre qual é o objetivo principal deste sistema de foguete.
Gostaria de ver um texto que abordasse como eles pretendem competir, quem são os clientes, se colocam cargas úteis de 1 tonelada em órbita de forma mais rápida, barata e simples, em que um motor projetado do zero é superior aos designs existentes, qual é o impulso específico atual e se Jet-A + LOX é uma escolha de combustível melhor para as condições de missão esperadas.
Criar um ecossistema de pequenos fabricantes de foguetes, em vez de um único monopólio gigante, estimula competição e inovação.
Do ponto de vista de investidores, a SpaceX também pode fracassar e, embora o Falcon seja hoje quase imbatível, ninguém sabe o que vai acontecer com a Starship.
Também dá para imaginar o Falcon ficando preso em solo por anos se algum defeito for descoberto; de forma mais realista, a redução de preços da SpaceX pode expandir o mercado a ponto de haver clientes suficientes.
Do ponto de vista de quem está dentro, é obviamente um desafio interessante e, literalmente, ciência de foguetes.
Algumas podem seguir um caminho parecido, projetar hardware reutilizável e reduzir custos de lançamento.
A SpaceX levou 20 anos para passar a depender de um sistema reutilizável estável, então outras empresas talvez consigam chegar a um estado semelhante mais rapidamente.
O governo dos EUA também vai comprar deliberadamente contratos de lançamento que não sejam da SpaceX para manter vivas empresas de pequenos lançadores e não ficar preso a um único fornecedor.
O governo dos EUA poderia possuí-la e operá-la, lançando de ambientes terrestres, marítimos ou expedicionários, e teoricamente entregar carga em qualquer ponto da Terra em até 5 minutos.
É exatamente o tipo de capacidade com que estrategistas militares sonham.
É realmente fascinante que seja possível imprimir em 3D peças metálicas capazes de suportar a temperatura e a pressão de um motor de foguete
Fico curioso para saber quanto isso custa
O tempo de uso de uma impressora de sinterização por feixe de elétrons normalmente custa de 100 a 200 dólares por hora, e peças grandes facilmente levam dias
Depois da impressão, é preciso remover o pó solto, e lugares como os pequenos canais de resfriamento na parede da câmara de combustão são muito difíceis e demorados
Em seguida, para maximizar a resistência, pode ser necessário um pós-processamento como prensagem isostática a quente, aquecendo a peça dentro de uma retorta cheia de gás inerte em alta pressão
Em motores de foguete, geralmente é desejável ter internamente uma camada de alta condutividade térmica, como uma liga à base de cobre, e externamente um material estrutural mais resistente, o que exige processos especiais como impressão multimaterial em metais ou deposição de metal sobre a peça impressa
Para verificar se geometrias internas invisíveis foram formadas e limpas corretamente, também entra controle de qualidade como tomografia computadorizada industrial de alta resolução
Além disso, geometrias difíceis ou impossíveis de imprimir com precisão suficiente precisam de usinagem adicional, de modo que o custo total fica bastante alto
Parte do processo acima pode ser vista neste vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=7pXEf0wHU1Y
Na impressão 3D, a complexidade é quase de graça, e qual material resiste à temperatura e à pressão de um motor de foguete depende totalmente de qual peça do motor estamos falando
Por exemplo, um injetor de combustível e suportes estruturais têm requisitos muito diferentes
Titânio impresso em 3D custa algo como 300 a 400 dólares por kg, e aço é um pouco mais barato, cerca de 150 dólares por kg para a maioria das classes de Inconel
Em http://rocketmoonlighting.blogspot.com/2010/, também há um exemplo de um pequeno motor resfriado por óxido nitroso, feito inteiramente com recursos próprios
Já faz bastante tempo, mas acho que esses números ainda servem como referência para estimar os preços atuais
Pó de Inconel também não é lá muito bom para a saúde e, no tamanho de partícula usado nas impressoras das empresas de foguetes, manusear com segurança o pó em suspensão exige equipamento de proteção de corpo inteiro
O equipamento em si também custa na casa dos milhões de dólares, e EOS, SLM e Velo3D são os principais fornecedores desse mercado
Também exige bastante espaço e treinamento para ser usado corretamente
Provavelmente também é preciso ter um engenheiro mecânico que entenda bem de ciência dos materiais e aguente máquinas exigentes que quebram com frequência
Só o estoque de pó metálico pode chegar a 1 milhão a 2 milhões de dólares, e ainda são necessários energia de alta tensão, milhares de litros por mês de gases como nitrogênio, hélio e argônio, descarte de resíduos, infraestrutura de segurança, controle ambiental para pós sensíveis à umidade e ferramental como placas-base usinadas a partir de blocos maciços de aço
Por fim, ainda há as etapas pós-impressão, como tratamento térmico, revestimento, análise e usinagem CNC
Impressão 3D metálica em escala industrial é uma operação de alto gasto de capital, e não é para os fracos de coração
Porém há muitos lugares que alugam o tempo de uso desse tipo de equipamento, então dá para projetar um foguete e pedir um orçamento
O preço normalmente é calculado por volume, e metal não é barato, então é melhor fazer primeiro algumas peças em plástico para validar as dimensões
Se o histórico era interiores de aviões comerciais, desenvolvimento web, componentes de fluido para fabs de semicondutores e sistemas hidráulicos do SpaceX Falcon 9, fico curioso por que a ABL o contratou como líder do programa de motores
Hoje parece claro que foi uma ótima escolha, mas só olhando esse currículo seria difícil prever isso
Provavelmente viraram amigos, planejaram fazer isso juntos, e ele entrou assim que as condições permitiram, ou o fundador ganhou tração suficiente para trazê-lo da SpaceX
Trabalho em um fornecedor da ABL e, curiosamente, hoje mesmo estamos preparando algumas peças deles para testes de ciclo em uma câmara térmica
Trabalhamos com várias empresas de lançadores, mas a ABL é a mais interessante, e a abordagem de conteinerizar todo o sistema é uma aplicação inteligente de métodos existentes para criar um sistema de lançamento rápido
Para alguém fazendo o primeiro motor do zero, as escolhas de projeto parecem bastante conservadoras, e isso é totalmente justificável
Imagino que os projetos seguintes serão mais ousados e aventureiros
Como a tecnologia de vasos de pressão também avançou, acho que bastaria bombear algo como ar líquido para dentro de um tanque pressurizado e colocá-lo no foguete
A ideia é que, sem precisar misturar nem bombear, bastaria abrir uma válvula para liberar a pressão e ter um foguete muito barato e simples
O projeto do injetor é o elemento mais importante no projeto da câmara de empuxo, e se os propelentes não se misturam corretamente ocorrem instabilidades graves de combustão, muitas vezes levando a explosões
Os primeiros programas espaciais também testaram extensivamente a escolha de propelentes e o projeto dos injetores
Veja Ignition!, de John D. Clark
Além disso, foguetes alimentados por pressão sempre foram um projeto bastante ruim
A alimentação por pressão exige tanques pesados e impõe uma grande penalidade à razão de massa, ou seja, massa seca/massa úmida
Salvo casos raros, é usada principalmente em testes em solo
Sendo uma estrutura impressa em 3D, olhando os bocais embutidos, parece que parte do bocal é oca e, como o calor latente de vaporização do LOX é muito menor, eles parecem usar resfriamento com Jet A
Um dos bocais provavelmente é para um sensor de temperatura
Fiquei me perguntando que empresa espacial é essa e quais são seus pontos fortes em relação à SpaceX
Pelo site, eles destacam lançamento sob demanda, um sistema simples capaz de ir a qualquer lugar e lançamentos táticos
Isso parece algo para armas nucleares ou uso parecido
Para esse uso já existem silos e submarinos
Isto é para lançamento responsivo e, vendo de forma cética, é uma demanda que nasce do fato de o Departamento de Defesa ter um grande orçamento espacial, mas não saber muito bem o que fazer com ele
É parecido com o modelo de negócios da Astra, mas torcendo para não ter o modelo de fracasso da Astra
Na prática, como não dá para criar diretamente uma empresa de lançadores de grande porte com venture capital ou SPAC, lançadores de pequenos satélites acabam servindo como prova de conceito para lançadores médios e grandes