Los aviones hipersónicos amplían 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 aviones hipersónicos para aplicaciones comerciales y militares. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

Un motor de ciclo combinado basado en turbinas 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 utiliza la máquina Sapphire XC para imprimir piezas metálicas de gran formato. Foto cortesía de Velo3D Inc.

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

El Quarterhorse realizará su vuelo inaugural el próximo año. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

La industria aeroespacial celebró recientemente el 75º aniversario de los vuelos supersónicos. 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 pilotos de pruebas equipados con el “material adecuado” han ido superando los límites. La próxima frontera es el vuelo hipersónico, con aviones que se mueven a Mach 5 (más de 3.000 mph) o más.

Los aviones hipersónicos, que viajan a más del doble de velocidad que los diseños supersónicos, 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 se produce 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 navegaban cómodamente a 95.000 pies. Los militares también están interesados ​​en la tecnología para diversas aplicaciones de defensa, como misiles y aviones de vigilancia no tripulados.

Sin embargo, el vuelo hipersónico requiere una dinámica de fluidos compleja y materiales que puedan soportar calor intenso, ondas de choque y vibraciones. La aerodinámica, la temperatura y las vibraciones juegan un papel importante. También requiere nuevos tipos de técnicas de producción.

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

Una de las empresas que lidera 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 hipersónico Quarterhorse. La puesta en marcha recientemente superó 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 sólo una hora (desde entonces, ha estado en exhibición en el Museo Nacional Smithsonian del Aire y el Espacio).

El vuelo inaugural de Quarterhorse está programado para el próximo año. Hermeus también espera tener lista una versión de pasajeros más grande, denominada Halcyon, para finales 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 prestará servicios a 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 temperaturas y presiones altas de Mach.

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

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

A bajas velocidades, el Chimera funciona 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 realizar la transición 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 ramjet 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 generar empuje. Los ramjets son óptimos entre Mach 3 y Mach 5.

"El motor TBCC es único en el campo de la hipersónica", afirma 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 fabricar un motor hipersónico de rango completo que respira aire y que no requiere un cohete para acelerar, Case afirma que Hermeus está preparando el escenario para vuelos hipersónicos operativos 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. “[Nuestros] aviones están diseñados para funcionar en aeropuertos tradicionales. Esto es importante, no sólo para las pruebas hipersónicas, sino fundamental dado [nuestro] objetivo de acelerar radicalmente los viajes de pasajeros a través de vuelos hipersónicos”.

Para producir Chimera y Quarterhorse, Hermeus ha construido una fábrica integrada verticalmente en Atlanta. Según Case, la fabricación interna permite un estrecho circuito de retroalimentación entre ingenieros y técnicos, lo cual es clave para la capacidad de la empresa de iterar rápidamente. Además, afirma 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 se compone de componentes impresos.

"La fabricación aditiva de metales es un componente central de nuestro plan para integrar verticalmente la producción", afirma 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", añade Matt Karesh, gerente de cuentas de desarrollo comercial técnico de Velo3D Inc. "Si sabes cómo aprovechar la tecnología, puedes satisfacer una combinación de funciones". , rendimiento, capacidad de fabricación y coste, todo en una sola parte.

"La fabricación aditiva ofrece a los ingenieros aeroespaciales mucha más libertad, desde una perspectiva de diseño, para obtener las tasas correctas de enfriamiento y coeficientes de transferencia de calor 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 sustituye a ninguno de ellos", señala Karesh. “Las tecnologías son complementarias. Casi nunca hay 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 diseñada para producciones de gran volumen. Ambas máquinas están calibradas para imprimir piezas hechas de Inconel 718.

Sapphire tiene una superficie 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 aviones hipersónicos no son específicamente diferentes de cualquier otra pieza aeroespacial", explica Case. “Mucho de lo que se exige de esas zonas es un poco diferente. Tienes cargas de calor extremas en ciertas partes. Tienes muchas fuerzas y presiones aerodinámicas, temperaturas y cosas así que actúan sobre ellos y que son mucho más severas que las que tendrías en un avión típico.

“Generalmente trabajamos con aleaciones a base de níquel y aleaciones de titanio; más que en el mundo aeroespacial tradicional”, afirma Case. “Por lo general, se utilizan muchas aleaciones de aluminio y tal vez algunas aleaciones de titanio en las secciones calientes.

"La fabricación aditiva permite la refrigeración acoplada de determinados componentes", señala Case. “Básicamente, piense en ello como en una casa pequeña donde cada pequeño mueble debe realizar esencialmente dos funciones. La fabricación aditiva lo permite. Puedes tener múltiples funciones dentro de una pieza y poder producir esa pieza en lugar de tener un proceso de fabricación muy costoso”.

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

“A diferencia de los motores de cohetes, donde es posible consolidar muchos inyectores en un solo cabezal de inyector o en una sola cámara de combustión, la ventaja que obtenemos de la impresión 3D no es tanto la consolidación de piezas como la capacidad de producir piezas. más rápido”, dice Case.

Hermeus utiliza la máquina Sapphire XC para imprimir piezas metálicas de gran formato. Foto cortesía de Velo3D Inc.

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

“Una vez que se llega a una buena pieza, producirla no es necesariamente más difícil”, explica Case. “Creo que es más difícil de diseñar, simplemente por la naturaleza acoplada de las piezas reales que interactúan en un avión hipersónico. El motor afecta la entrada. La entrada afecta al vehículo. El vehículo afecta al motor.

"Es muy circular y hay que diseñarlo todo en conjunto", señala Case. “Así que, desde el punto de vista del diseño, es un gran desafío. Si puedes 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, porque 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 resultar mucho más económico imprimir piezas fabricadas a partir del material en lugar de mecanizarlas. El coste del material en sí suele representar entre el 10 y el 15 por ciento del coste de una pieza impresa. Inconel 625 también es popular para aplicaciones de fabricación hipersónica”.

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 utilizamos 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 1.900 F", explica Case. "Pero, si nos fijamos en la temperatura de equilibrio radiativo a lo largo de la superficie del vehículo, especialmente en los lados de sotavento del avión, se está arrojando mucho calor a la estructura del avión, pero también se está rechazando gran parte de ese calor a través de la radiación. .

El Quarterhorse realizará su vuelo inaugural el próximo año. Ilustración cortesía de Hermeus Corp.

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

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