3D-печатный ракетный двигатель ознаменовал новую эпоху освоения космоса
Ракета, которая отправилась в космос из Новой Зеландии 25 мая, была особенной. Она не только стала первым запуском с частной площадки, но и была оснащена двигателем, почти полностью собранным при помощи 3D-печати. Возможно, это не первая «3D-печатная ракета в космосе», как вы могли подумать из заголовка, но это подчеркивает, насколько серьезно эта техника производства воспринимается космической отраслью.
Участники команды, стоящей за ракетой Electron американской компании RocketLab, говорят, что двигатель был распечатан за 24 часа и обладает повышенной эффективностью и производительностью в сравнении с другими системами. Точных деталей печатных компонентов пока нет. Но, вероятно, многие из них были разработаны для минимизации веса при сохранении структурных характеристик, в то время как другие компоненты, возможно, были оптимизированы для обеспечения эффективного потока жидкости. Эти преимущества — снижение веса и потенциал создания новых проектов — составляют значительную часть того, почему 3D-печать должна обрести место в освоении космоса, причем не самое последнее.
3D-печать, как известно, отлично подходит для создания сложных форм. Например, решетчатые структуры создаются такими, чтобы весить меньше, но быть такими же прочными, как и аналогичные твердые компоненты. Это позволяет создавать оптимизированные, легкие детали, которые ранее было невозможно экономически или эффективно производить с использованием более традиционных подходов.
Микрорешетка Boeing — это пример того, как можно довести до крайности этот подход и создать механически прочные структуры, на 99,9% состоящие из воздуха. Не все процессы трехмерной печати могут такого достичь, но даже экономия веса в несколько процентов на самолетах и космических аппаратах может привести к большой выгоде за счет использования меньшего количества топлива.
3D-печать имеет тенденцию работать лучшего всего для производства относительно небольших, сложных деталей, а не больших конструкций, в которых стоимость материала и затрат на обработку перевешивает любые преимущества. Например, переработанное сопло может улучшить смешение топлива в двигателе, что приведет к повышенной эффективности. Увеличение площади поверхности теплозащитного экрана с использованием узорчатой, а не плоской поверхности может означать, что тепло передается более эффективно, что снизит вероятность перегрева.
Эти методы также могут уменьшить количество материала, который впустую уходит при производстве. Это важно, потому что космические компоненты, как правило, изготавливаются из дорогостоящих и редких материалов. 3D-печать также может производить целые системы за один раз, а не из множества собранных деталей. Например, NASA использовало его для сокращения компонентов в одном из своих ракетных инжекторов с 115 до 2. Кроме того, 3D-принтеры легко могут сделать небольшое количество деталей, как того требует космическая индустрия, без необходимости создавать дорогостоящие производственные инструменты.
На орбите
3D-принтеры также могут найти применение в самом космосе, где трудно хранить большое количество запасных частей и трудно находить замены, когда вы находитесь в тысячах километров от Земли. На Международной космической станции сейчас имеется 3D-принтер, поэтому, если что-то сломается, инженеры могут отправить проект для замены, а астронавты на орбите его распечатают.
Современные принтеры работают только с пластиком, поэтому он, вероятнее всего, будет использоваться для одноразовых инструментов или быстро изнашивающихся частей вроде дверных ручек. Но когда 3D-принтеры станут способны работать с другими материалами, их применение значительно увеличится. Однажды люди в космосе смогут производить собственную пищу и даже биологические материалы. Перерабатывающие предприятия смогут также создавать запчасти из сломанных частей.
Заглядывая вперед, можно предположить, что 3D-принтеры будут крайне полезны при создании колоний. Такие места, как Луна, не имеют достаточного количества традиционных строительных материалов, но Европейское космическое агентство доказало, что при помощи солнечной энергии можно создавать «кирпичи» из лунной пыли, что было бы хорошим началом. Ученые теперь думают над тем, как переложить эту идею на 3D-печать и строить полностью напечатанные дома на Луне.
Чтобы воплотить эти применения в реальность, нам нужно исследовать больше материалов и процессов, с помощью которых производственные компоненты будут выдерживать чрезвычайно суровые условия космоса. Инженеры также разрабатывают оптимизированные конструкции и ищут способы тестирования 3D-печатных деталей, чтобы доказать, что они безопасны и надежны. Особенно этому мешает гравитация, точнее ее отсутствие. Многие процессы сегодня используют порошки или жидкости в качестве сырья, поэтому нам придется разработать хитрые уловки, чтобы безопасно работать с ними в условиях низкой или отсутствующей гравитации.
Потребуются совершенно новые материалы и технологии. Однако исследования показывают, что трехмерная печать все чаще будет использоваться в космосе, даже если полностью напечатанный космический аппарат и не взлетит в ближайшее время. Но время придет.