De ida y vuelta a la Luna, Aerojet quiere impulsar la futura economía cislunar

En Aerojet Rocketdyne se están produciendo boquillas para nuevos motores RS-25 que impulsarán los vuelos posteriores del Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA.

Mientras Aerojet Rocketdyne continúa la producción de sus grandes motores tradicionales para vehículos de la NASA y United Launch Alliance, el fabricante ve la economía cislunar emergente como el catalizador potencial para el lanzamiento de una nueva generación de motores de cohetes de combustible líquido de bajo costo.

Ya en 2013, la compañía esbozó planes de desarrollo para una familia inicial de motores Bantam más pequeños fabricados aditivamente que cubrían el rango de empuje de 5.000 a 30.000 libras, y ahora está hablando con desarrolladores de vehículos de lanzamiento sobre un rango de potencia mucho más amplio. "Hemos cambiado hacia un conjunto de motores más pequeño, y es un rango de empuje que podría ir de 5,000 lb a 150,000 lb. enfocado en queroseno, pero también podría ser fácilmente de hidrógeno o almacenable", Jim Maser, vicepresidente senior de Aerojet. Rocketdyne, dijo a Aviation Week al margen del Simposio Espacial en Colorado Springs el 18 de abril.

Aunque las pruebas y el desarrollo de los motores Bantam más pequeños han estado en marcha durante aproximadamente una década, Maser dijo que las bien perfeccionadas capacidades de producción aditiva de la compañía, así como el surgimiento de una nueva generación de desarrolladores de vehículos de lanzamiento pequeños y medianos, brindan a la compañía una nueva perspectiva. conjunto de oportunidades potenciales de mercado.

"Están todos estos tipos anunciando que se trasladarán a un vehículo de lanzamiento mediano, y todos están integrados verticalmente", señaló. “Hemos hablado con todos ellos y creemos que en algún momento se darán cuenta de que están en el negocio de poner cosas en órbita. No se dedican a fabricar motores de cohetes. Creo que a medida que los mercados de capital se agoten, la gente reconocerá el valor de eso”, añadió.

"Creemos que la clase Bantam es el camino a seguir porque permite un régimen más asequible", continuó Maser. “Aún es necesario tener un argumento comercial, por lo que todo se reduce a [el hecho de que] nadie quiere pagar por el desarrollo. Pero no quieren comprometerse con una gran cantidad de motores, por lo que es difícil entenderlo. Estoy dispuesto a hacer una apuesta: sólo tenemos que elegir la empresa adecuada y ellos tienen que estar motivados para trabajar con nosotros”.

Aunque Aerojet Rocketdyne no identifica aplicaciones potenciales específicas, la situación del mercado es "muy dinámica en este momento y las cosas están cambiando rápidamente", dijo Maser. "'Nos estamos posicionando para aprovechar la oportunidad' es como lo caracterizaría".

Otro factor que se suma a las condiciones más favorables para una posible nueva aplicación es el mercado de propulsión espacial en rápida expansión para apoyar la economía cislunar emergente.

"En lo que realmente estamos centrados es en el mercado espacial, donde veo muchas oportunidades", dijo Maser. "La gente quiere ir hasta la Luna y regresar, y esto implica muchas maniobras, ahí es donde está la verdadera oportunidad".

La opción de motor más pequeño podría permitir un enfoque de combinación, dijo Maser. "Se podría tener un propulsor con cinco motores y una etapa superior con uno o dos, o un propulsor con tres motores y una etapa superior con uno, dependiendo de la clase o cohete que se desee", dijo. "Hemos estado hablando con la gente sobre ese concepto, pero creo que en términos de motores de cohetes líquidos, ese es probablemente el futuro para nosotros".

El trabajo en el Bantam, originalmente basado en el inyector del motor Atlas Sustainer, ha continuado desde que se realizaron pruebas en caliente de la variante más pequeña, denominada Baby Bantam, en 2014. Tres años después, bajo un programa apoyado por DARPA, Aerojet Rocketdyne también completó una serie de pruebas de fuego caliente en una versión de clase de empuje de 30,000 libras. "Estamos invirtiendo en investigación y desarrollo internos en esta familia de motores, por lo que creo que tiene el mejor potencial para nosotros", dijo Maser.

Mientras tanto, Aerojet Rocketdyne se encuentra en la mitad de las pruebas de certificación de la primera versión nueva del motor RS-25 que impulsará la etapa central para misiones posteriores del cohete del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS) de carga súper pesada de la NASA.

El primer RS-25 completamente nuevo construido en más de 15 años incorpora mejoras introducidas en el antiguo transbordador espacial RS-25 restaurado que Aerojet Rocketdyne también está proporcionando para los vuelos iniciales SLS para el programa Artemis de la NASA, cuya misión debut se lanzó en noviembre. 16. La compañía completó recientemente los cuatro motores RS-25 para la misión de alunizaje Artemis III planificada, cuyo lanzamiento está previsto para mediados de la década.

Dado que solo quedan 16 motores del programa del transbordador (suficientes para las primeras cuatro misiones Artemis), Aerojet Rocketdyne está construyendo 24 nuevos motores de producción RS-25 para las misiones Artemis V y siguientes.

El motor de certificación y un motor de desarrollo se están sometiendo a pruebas de fuego este año para verificar el diseño para la producción. El esfuerzo incluye 12 pruebas que culminan con una revisión de certificación de diseño a finales de año. Las pruebas de un motor modernizado que incorpora una combinación de componentes antiguos y nuevos ayudarán a evaluar "la vida útil adicional de algunas de esas piezas", dijo Maser.

El motor de certificación está "funcionando sorprendentemente bien", señaló. “Parte de la ventaja de usar un motor que tiene este tipo de historial de vuelo, con reutilización, es que realmente entiendes el motor. Y es el motor de hidrógeno de mayor rendimiento desde una perspectiva de eficiencia”.

Las pruebas que se llevan a cabo en el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi evaluarán el rendimiento del motor a través de una serie de condiciones de diseño y excursiones. El trabajo validará componentes mejorados, como la boquilla, la cámara de combustión principal y el conjunto del acumulador de pogo, una pieza fabricada aditivamente que está diseñada para amortiguar las oscilaciones causadas por los propulsores a medida que fluyen entre el vehículo y el motor.

Las 12 carreras supondrán un total de 6.150 segundos. del tiempo de fuego caliente; el motor de prueba funcionará a una media del 111% de su capacidad durante más de 500 segundos. en pruebas individuales. La clasificación de empuje más alta es un aumento con respecto al programa del transbordador al 104,5% y las misiones Artemis I-IV al 109%. En la cuarta prueba, realizada en el banco de pruebas Fred Haise de Stennis a finales de marzo, los operadores encendieron el motor de certificación durante 10 minutos. (600 seg.), más largo que los 500 seg. Los motores deben dispararse durante una misión real.

"Lo estamos certificando al 113% y aumentará al 111%", dijo Maser. “Lo único del RS-25 es que, debido a que tienes los grandes propulsores sólidos en el SLS, la etapa central está a medio camino entre la primera etapa y la segunda etapa. Entonces, el RS-25 básicamente lleva la etapa central a la órbita. Es por eso que ese motor funciona 500 segundos, en comparación con la mayoría de los motores de primera etapa en un diseño de cohete tradicional en los que normalmente funcionan 250 segundos”.

A medida que avanza el trabajo hacia la revisión de la certificación del diseño, Aerojet Rocketdyne también está aumentando la producción. "Nuestro gran enfoque ahora es bajar una curva de aprendizaje y simplemente generar un diseño estable, confiable, de alta calidad y lo más rentable posible", dijo Maser.

Los nuevos procesos de producción y la tecnología de fabricación han ayudado a la apuesta de la empresa por reducir los costes en un 30% en un diseño de motor que se remonta a los años 1970. "Hemos implementado aditivos donde tiene sentido y eso nos permitirá ahorrar mucho dinero, aumentar la productividad y reducir el número de piezas", explicó Maser. “Hay muchas piezas que tenían una soldadura manual compleja, y lo simplificamos al utilizar muchas menos piezas con soldadura robótica automatizada en varios casos. Ahora es sólo una curva de aprendizaje y eficiencia”.

Entre la primera y la cuarta boquilla, la compañía dice que redujo las horas de mano de obra de apilamiento de tubos en un 50% y en la cuarta boquilla superó un objetivo de asequibilidad en un 17% y redujo los tubos desechados en un 90% en comparación con las tres anteriores.

En otras áreas, el diseño del motor RS-25 se simplificó utilizando soluciones de los programas J-2X y RS-68. Al modificar los conductos que transportan los propulsores del cohete SLS a las turbobombas, Aerojet Rocketdyne dice que obtuvo una reducción del 62 % en el costo de los conductos del RS-25. "En el cabezal motor, que sirve como columna vertebral estructural del RS-25, el equipo pudo eliminar 1200 piezas y reducir el tiempo de fabricación de la primera unidad en un 15%", dice la compañía. "La cámara de combustión principal se fabrica 22 meses más rápido y con un 71 % menos de soldaduras".

Las pruebas de certificación del nuevo motor RS-25 finalizarán en el cuarto trimestre de 2023; Está previsto que los nuevos motores de producción comiencen en 2024. Está previsto que Aerojet Rocketdyne entregue el primer conjunto de cuatro RS-25 de nueva construcción a la NASA en 2025. Aunque el calendario de lanzamiento real para esta y las siguientes misiones Artemis puede ampliarse, Maser dijo: "Estaremos listos cuando sea necesario".

Guy es editor senior de Aviation Week y cubre tecnología y propulsión. Tiene su sede en Colorado Springs.