Los aviones hipersónicos superan los límites de la impresión 3D

Los aviones hipersónicos representan la vanguardia de la ingeniería aeroespacial. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

Los ingenieros de Hermeus están desarrollando una familia de aeronaves hipersónicas para aplicaciones comerciales y militares. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

Un motor de ciclo combinado basado en una turbina es un híbrido entre un turborreactor y un estatorreactor. Foto cortesía de Hermeus Corp.

El Quarterhorse es un avión hipersónico no tripulado que se está desarrollando para la Fuerza Aérea de EE. UU. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

El avión comercial Halcyon permitirá a los pasajeros cruzar el Océano Atlántico en menos de dos horas. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

El motor Chimera se sometió recientemente a una serie de pruebas exitosas. Foto cortesía de Hermeus Corp.

Alrededor de Mach 3, Chimera comienza a evitar el aire entrante alrededor del turborreactor y el estatorreactor se hace cargo por completo. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

Hermeus está utilizando la máquina Sapphire XC para imprimir piezas de metal de gran formato. Foto cortesía de Velo3D Inc.

La fabricación aditiva se utiliza para imprimir piezas de motores complejas hechas de Inconel 718. Foto cortesía de Hermeus Corp.

El Quarterhorse realizará su vuelo inaugural en algún momento del próximo año. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

La industria aeroespacial celebró recientemente el 75 aniversario del vuelo supersónico. Chuck Yeager rompió la barrera del sonido el 14 de octubre de 1947 a bordo del avión cohete Bell X-1.

Desde entonces, los ingenieros y los pilotos de prueba equipados con las "cosas adecuadas" han estado superando los límites. La siguiente frontera es el vuelo hipersónico, con aeronaves que se mueven a Mach 5 (más de 3000 mph) o más.

Viajando a más del doble de la velocidad de los diseños supersónicos, los aviones hipersónicos representan la vanguardia de la ingeniería aeroespacial. Para la propulsión, se basan en un nuevo tipo de motor llamado scramjet, en el que la combustión tiene lugar mientras el aire que lo atraviesa se mueve a alta velocidad.

Los Scramjets utilizan su propia geometría y velocidad para comprimir el aire que pasa. Pueden reducir el peso total de los motores a reacción tradicionales al eliminar las piezas móviles, como las palas de las turbinas.

Los ingenieros aeroespaciales imaginan aviones hipersónicos que podrían volar mucho más alto y más rápido que el Concorde. Permitirían a los pasajeros cruzar el Océano Atlántico en menos de dos horas y el Océano Pacífico en menos de tres horas, mientras navegan cómodamente a 95,000 pies. El ejército también está interesado en la tecnología para diversas aplicaciones de defensa, como misiles y aviones de vigilancia no tripulados.

Sin embargo, el vuelo hipersónico requiere dinámicas de fluidos complejas y materiales que puedan soportar calor intenso, ondas de choque y vibraciones. La aerodinámica, la temperatura y la vibración juegan factores importantes. También requiere nuevos tipos de técnicas de producción.

A pesar de esos enormes desafíos, la tecnología ha generado una variedad de empresas emergentes, como Destinus, Hermeus, New Frontier Aerospace, Radian Aerospace y Venus Aerospace.

Una de las empresas que marcan el camino es Hermeus Corp., que está desarrollando aviones para aplicaciones comerciales y militares.

En 2021, la Fuerza Aérea de EE. UU. otorgó a Hermeus un contrato de 60 millones de dólares para desarrollar tres aviones no tripulados, incluido el Quarterhorse hipersónico. La puesta en marcha superó recientemente un hito importante cuando encendió con éxito un motor turborreactor-estatorreactor denominado Chimera.

El objetivo de Quarterhorse es validar el motor Chimera en vuelo y romper un récord de décadas que ostentaba el Lockheed SR-71 Blackbird. Antes de retirarse a principios de la década de 1990, el legendario avión voló de Los Ángeles a Washington en solo una hora (desde entonces, ha estado en exhibición en el Museo Nacional del Aire y el Espacio Smithsonian).

El vuelo inaugural de Quarterhorse está programado para el próximo año. Hermeus también espera tener una versión de pasajeros más grande, denominada Halcyon, lista para fines de esta década.

En el camino, la compañía planea desarrollar una serie de aviones, similar al desarrollo de SpaceX de sus cohetes Dragon, Falcon y Starship. Además de Halcyon y Quarterhorse, los ingenieros de Hermeus están trabajando en Darkhorse, un avión autónomo que servirá a los clientes de defensa e inteligencia.

Recientemente se superó un obstáculo cuando el motor Chimera se sometió a una serie de pruebas exitosas en el Laboratorio de Turbomaquinaria de la Universidad de Notre Dame. Se utilizó aire caliente para simular altas temperaturas y presiones de Mach.

Chimera es un motor de ciclo combinado basado en turbinas (TBCC) que es un híbrido entre un turborreactor y un estatorreactor. La capacidad de cambiar entre estos dos modos permitirá que Quarterhorse despegue de una pista normal y luego acelere hasta velocidades hipersónicas.

Los ingenieros de Hermeus diseñaron, construyeron y probaron el motor a reacción de próxima generación en 21 meses por $18 millones. La mayoría de los observadores predijeron que este hito técnico llevaría mucho más tiempo y costaría más dinero.

A bajas velocidades, Chimera está en modo turborreactor, como cualquier avión a reacción. Pero, a medida que aumentan la temperatura y la velocidad del aire entrante, los turborreactores alcanzan su límite de rendimiento. Esto suele ocurrir alrededor de Mach 2.

Chimera tiene un preenfriador que reduce la temperatura del aire que ingresa al turborreactor. Esto permite a los ingenieros de Hermeus obtener un poco más de rendimiento del turborreactor antes de pasar al estatorreactor.

Alrededor de Mach 3, Chimera comienza a evitar el aire entrante alrededor del turborreactor y el estatorreactor se hace cargo por completo.

Un estatorreactor es un sistema de propulsión simple que "empuja" el aire entrante a alta presión para crear compresión. El combustible se mezcla con este aire comprimido y se enciende para el empuje. Los estatorreactores son óptimos entre Mach 3 y Mach 5.

"El motor TBCC es único en el campo de la hipersónica", dice Glenn Case, director de tecnología de Hermeus. "La mayoría de las plataformas hipersónicas funcionan con un motor de cohete. Pero este enfoque hace que la reutilización sea mucho más difícil e inherentemente más peligrosa para los vuelos de pasajeros".

Al hacer un motor hipersónico de respiración de aire de rango completo que no requiere un cohete para acelerar, Case afirma que Hermeus está preparando el escenario para el vuelo hipersónico operativo y aviones que pueden reutilizarse rápidamente.

"Un beneficio adicional del diseño de este motor es que se adapta a la infraestructura de transporte existente", explica Case. "[Nuestro] avión está diseñado para estar operativo en aeropuertos tradicionales. Esto es importante, no solo para las pruebas hipersónicas, sino fundamental dado [nuestro] objetivo de acelerar radicalmente los viajes de pasajeros a través del vuelo hipersónico".

Para producir Chimera y Quarterhorse, Hermeus ha construido una fábrica integrada verticalmente en Atlanta. Según Case, la fabricación interna permite un estrecho ciclo de retroalimentación entre ingenieros y técnicos, lo cual es clave para la capacidad de iteración rápida de la empresa. Además, dice que la integración vertical facilita la dependencia de proveedores externos y permite un mejor control de la cadena de suministro.

Hermeus confía en la tecnología de fabricación aditiva para producir rápidamente piezas metálicas complejas. De hecho, aproximadamente el 15 por ciento del motor Chimera consta de componentes impresos.

"La fabricación aditiva de metal es un componente central de nuestro plan para integrar verticalmente la producción", dice Case. "A medida que exploramos las capacidades de [la] tecnología, buscaremos formas de aumentar el rendimiento, consolidar componentes, reducir el peso de nuestra aeronave y minimizar las dependencias externas".

"La fabricación aditiva es una excelente manera para que los ingenieros aeroespaciales produzcan piezas y componentes cada vez más complejos", agrega Matt Karesh, gerente de cuentas de desarrollo comercial técnico de Velo3D Inc. "Si sabe cómo aprovechar la tecnología, puede satisfacer una combinación de función , rendimiento, capacidad de fabricación y costo, todo en una sola pieza.

"La fabricación aditiva brinda a los ingenieros aeroespaciales mucha más libertad, desde una perspectiva de diseño, para obtener las tasas correctas de coeficientes de transferencia de calor y enfriamiento en una pieza", explica Karesh. "También es una forma de consolidar piezas y eliminar algunos procesos tradicionales de fundición, forja, mecanizado, soldadura fuerte y soldadura.

"Sin embargo, la fabricación aditiva no reemplaza a ninguno de ellos", señala Karesh. "Las tecnologías son complementarias. Casi nunca se tiene una pieza impresa que sale de una máquina y va directamente a su aplicación de uso final. Las piezas normalmente necesitan algún tipo de tratamiento térmico y acabado superficial".

Hermeus utiliza las máquinas Sapphire y Sapphire XC de Velo3D. Esta última es una impresora de gran formato que está diseñada para una producción de alto volumen. Ambas máquinas están calibradas para imprimir piezas hechas de Inconel 718.

Sapphire tiene una envolvente de construcción de 315 por 400 milímetros, mientras que Sapphire XC es capaz de imprimir piezas de 600 milímetros de ancho y 550 milímetros de alto. Ambas máquinas son ideales para imprimir formas complejas que exigen nuevos materiales y tolerancias.

"Las piezas de aeronaves hipersónicas no son específicamente diferentes de cualquier otra pieza aeroespacial", explica Case. "Mucho de lo que se exige de esas partes es un poco diferente. Tienes cargas de calor extremas en ciertas partes. Tienes muchas fuerzas y presiones aerodinámicas, temperaturas, cosas así, que actúan sobre ellas que son mucho más severas". de lo que tendría en un avión típico.

“En general, estamos trabajando con aleaciones a base de níquel y aleaciones de titanio, más que en el mundo aeroespacial tradicional”, dice Case. "Normalmente, usarías muchas aleaciones de aluminio y tal vez algunas aleaciones de titanio en las secciones calientes.

"La fabricación aditiva permite el enfriamiento acoplado de ciertos componentes", señala Case. "Básicamente, piense en ello como en una casa diminuta donde cada pequeño mueble debe realizar esencialmente dos funciones. La fabricación aditiva lo permite. Puede tener múltiples funciones dentro de una pieza y ser capaz de producir esa pieza en lugar de tener una muy costoso proceso de fabricación".

La tecnología de fabricación aditiva también permite a los ingenieros de Hermeus maximizar las piezas.

"A diferencia de los motores de cohetes, en los que es posible que pueda consolidar muchos inyectores en un solo cabezal de inyector o en un solo combustor, la ventaja que obtenemos de la impresión 3D es menos sobre la consolidación de piezas y más sobre la capacidad de producir piezas más rápido", dice Case.

Hermeus está utilizando la máquina Sapphire XC para imprimir piezas de metal de gran formato. Foto cortesía de Velo3D Inc.

"Lo que la impresión 3D nos permite hacer es un prototipo rápido", agrega Case. "Realmente, no se trata tanto de la consolidación de piezas para nosotros. Es la consolidación de la cadena de suministro. Podemos ir a comprar un montón de polvo o un montón de alambre, y poder imprimir y desarrollar una gran cantidad de piezas a partir de eso.

"Una vez que llegas a una buena parte, no es necesariamente más difícil de producir", explica Case. "Creo que es más difícil de diseñar, solo por la naturaleza acoplada de las partes reales que interactúan en un avión hipersónico. El motor afecta la entrada. La entrada afecta el vehículo. El vehículo afecta el motor.

"Es muy circular y tienes que diseñar todo junto", señala Case. "Entonces, desde el punto de vista del diseño, es muy desafiante. Si puede imprimir una pieza en 3D o crear múltiples usos dentro de las piezas en estos entornos tan desafiantes y extremos, [es ventajoso]".

Inconel 718 es ideal para muchos tipos de aplicaciones de aeronaves hipersónicas, ya que proporciona alta resistencia y resistencia a la oxidación incluso a temperaturas cercanas al punto de fusión. El material de níquel cromo resistente a la corrosión puede soportar muchas temperaturas extremas.

"Inconel 718 es una aleación bien desarrollada en el campo de la fabricación aditiva", dice Karesh de Velo3D. "Puede ser mucho más económico imprimir piezas hechas con el material en lugar de mecanizar esas piezas. El costo del material en sí suele representar entre el 10 y el 15 por ciento del costo de una pieza impresa. Inconel 625 también es popular para aplicaciones hipersónicas aplicaciones de fabricación".

Además de Inconel, los ingenieros de Hermeus están utilizando otros tipos de materiales avanzados para producir motores, fuselajes y alas.

"Usamos mucho Inconel 718", dice Case. “Sin embargo, también usamos mucho titanio. La mayor parte del fuselaje será de titanio.

"Cuando un avión hipersónico viaja a Mach 5, las temperaturas de estancamiento pueden alcanzar los 1900 F", explica Case. "Pero, si observa la temperatura de equilibrio radiativo a lo largo de la superficie del vehículo, especialmente los lados de sotavento de la aeronave, está arrojando una gran cantidad de calor en la estructura del avión, pero también está rechazando una gran cantidad de eso a través de la radiación. .

El Quarterhorse realizará su vuelo inaugural en algún momento del próximo año. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

"Entonces, la temperatura de la superficie termina rondando los 800 F", señala Case. "Eso realmente se presta a las aleaciones de titanio. No me gusta usar el término 'estructura caliente', porque eso implica compuestos de matriz cerámica. Usamos más una 'estructura cálida' para que podamos usar aleaciones de titanio como 6Al-4V Hay un par de otros pequeños sabores que también estamos considerando usar.

"No usamos mucho aluminio allí, pero también estamos considerando la posibilidad de imprimir algunas piezas de cobre para aplicaciones de propulsión, porque es un material de alta temperatura", dice Case.