유럽우주국(ESA)은 제조 서비스 팀과 함께 DMP(Direct Metal Printing)를 통해 이중 추진제 통신 위성 엔진을 대표하는 인젝터, 연소실 및 팽창 노즐을 생산했습니다.

이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 더욱 개선할 수 있는 잠재력을 평가할 수 있습니다. 또한 ESA와 전문가들은 DMP의 설계 기회를 활용하여 앞서 언급한 위성 엔진 부품에 대한 기능적으로 분리된 설계 대안을 설계했습니다. 예를 들어, 모놀리식 연소실 설계는 얇은 벽 압력 용기와 지지하는 외부 구조 비계를 통합합니다. DMP는 무게를 줄이고, 조립을 단순화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계의 설계 조정을 지원합니다. ESA와의 협력은 우주 및 항공우주 제조 우수성을 지원하는 고유한 노하우를 제공합니다.

혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화할 수 있습니다.

DMP의 현재 상태

통신위성은 모바일 인터넷과 은행 간 안전한 금융 통신, TV 직접 방송, 일기예보를 위한 지구 관측에 필수적입니다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것입니다. ESA는 내부 자금 지원 프로그램의 일환으로 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하고 향후 엔진 개발에 비추어 잠재력과 성숙도를 평가하고 있습니다.

▲ 혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화 할 수 있습니다.

혁신적인 인젝터 매니폴드

"DMP는 추진제 밸브에서 연소실까지의 흐름을 최적화하기 위해 혁신적인 매니폴드를 제공합니다"라고 Simon Hyde는 말합니다. 설계 자유도를 통해 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조에서 5개 이상에서 1개로 줄일 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 유압 분사 작업을 달성하는 데 필요한 많은 위험한 밀봉 용접을 제거합니다. 비용과 위험을 상당히 줄입니다. 3D Systems는 AM 생산 공정을 완벽하게 제어함으로써 티타늄을 포함한 금속 및 합금의 수가 증가함에 따라 최대 99.98%의 상대 밀도를 가진 균일한 미세 구조를 달성합니다.

▲ 130미크론 해상도의 X선 이미지로 판단할 때 DMP는 

인젝터 제조에 대한 실용적인 접근방식 입니다.

DMP는 열이 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체로 다시 스며드는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 수립하는 데에도 적합합니다. 툴링 접근 제약이 없기 때문에 대신 금속 스캐폴드를 사용하여 전도도를 제어하여 열 스탠드오프를 재설계할 수 있습니다. 비행 가능한 티타늄 소재(Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요구 사항과 로켓 모터 설계자의 설계 요구 사항에 근접하고 있습니다.

분리된 챔버 기능

소형 우주 위성 엔진의 연소실은 일반적으로 지지되지 않는 노즐 출구가 있는 수렴 발산 노즐로 구성됩니다. 추진제 반응은 배기 가스가 목구멍 수축을 통해 발산 부분으로 흐르기 전에 수렴 섹션에서 완료되어 초음속으로 팽창합니다. 기존 챔버는 발사와 관련된 비작동 하중을 견디도록 설계되었으며, 더 두꺼운 벽은 이러한 과도 하중에 반응합니다. 일단 스테이션에 있고 작동하면 챔버는 그렇게 두꺼운 벽이 필요하지 않습니다.

Simon Hyde는 DMP를 통해 챔버 기능을 작동 부하 케이스와 비작동 부하 케이스로 분리할 수 있었다고 말합니다. 직관적으로, 이것은 얇은 연소기 벽과 팽창 노즐 부착을 위한 용접 플랜지를 지지하는 스트럿 워크 리브로 해석됩니다.  조잡한 스트럿 작업 대신 서포트 구조물을 저밀도 메쉬로 제작한 결과 체적 밀도가 12%로 낮기 때문에 DMP는 잠재적으로 연소실 무게를 크게 줄이거나 구조적 안전 마진을 개선할 수 있습니다.

Ti6Al4V 소재로 제작된 진정한 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위한 내화 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 및/또는 레늄 기반)입니다. 이 혁신적인 연소실 설계에 대한 추가 조사에는 응력 필드에서 메쉬의 등방성과 상세한 열 영향에 대한 연구가 포함됩니다. 이 메쉬는 유효 표면 방사율을 증가시키므로 챔버 주변의 열유속에 확실히 영향을 미칩니다.

대규모 DMP

ESA 엔지니어들은 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 조사했습니다. DMP 생산량에 대해 말하자면,  275 x 275 x 450mm 상자에 맞는 모든 부품 형상을 생산할 수 있습니다. 노즐의 응력은 비교적 낮으며 오버행 질량을 최소화하는 것은 캔틸레버 엔진 설계의 마진을 높이는 데 중요합니다. 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 생산했으며, 이 노즐은 팽창 노즐의 기계적 및 열적 요구 사항을 대부분 충족합니다.

Hyde에 따르면, DMP는 모든 설계 유연성을 없애는 시트 재료의 기존 스핀 성형에 비해 뚜렷한 제조 이점을 제공합니다. 이를 통해 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 공정 후반까지 많은 설계 옵션을 열어 둘 수 있습니다.