Additive Manufacturing für Hyperschallfahrzeuge: Wie der 3D-Druck das Raumfahrtspiel verändert
Das Rennen um kostengünstige Hyperschalltests definiert die Regeln der Luft- und Raumfahrttechnik neu, dank des 3D-Drucks. Eine aktuelle Branchenstudie prognostiziert, dass bis 2034 Raketentriebwerke die Hauptwertquelle für Hersteller von Komponenten aus additiven Technologien sein werden. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Testphase von Triebwerken und Hyperschallfahrzeugen deutlich häufiger und zugänglicher werden, wobei die Grenzen durch die geringe Verfügbarkeit von Windkanälen und traditionellen Infrastrukturen überwunden werden müssen.
Die Defense Innovation Unit (DIU) des Pentagons hat das Programm HyCAT – Hypersonic and High-Cadence Airborne Testing Capabilities – ins Leben gerufen, um kostengünstigere, schnell herstellbare und leicht wiederverwendbare Hyperschalltestplattformen zu entwickeln. Der erste Test des Programms nutzte den DART AE-Demonstrator der australischen Startup-Firma Hypersonix, gestartet mit der HASTE-Rakete von Rocket Lab: Es handelt sich um die weltweit erste Hyperschallplattform mit vollständig 3D-gedrucktem Rumpf, drei Meter lang und für den Betrieb jenseits von Mach 5 konzipiert.
Die neue Grenze der Luft- und Raumfahrt: Hyperschallfahrzeuge und Additive Fertigung
Hyperschallfahrzeuge stellen eine entscheidende Grenze für die Verteidigung und die moderne Weltraumforschung dar; die Einführung der additiven Fertigung beschleunigt deren Entwicklung und reduziert die Kosten.
Mit etwa 70 verschiedenen Hyperschallprogrammen, die derzeit vom Pentagons finanziert werden, könnte der Zugang zu kostengünstigen Testplattformen einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtzeitplan der Forschungs- und Entwicklungsziele des Ministeriums haben. Das Programm HyCAT wurde entworfen, um den Engpass, der durch Windkanäle entsteht, zu verringern, indem es sich auf Prüffahrzeuge konzentriert, die mit deutlich kürzeren Zyklen hergestellt und gestartet werden können.
Das erklärte Ziel ist es, der US-amerikanischen Hyperschallgemeinschaft Flugplattformen zur Verfügung zu stellen, die nicht nur zur Validierung von Scramjet-Triebwerken und Hochtemperaturmaterialien, sondern der gesamten Hyperschall-Wertschöpfungskette dienen: Avionik, Führungssysteme, Steuerflächen, Wärmeschutzsysteme und Integrationsschnittstellen. Wie Oberstleutnant Nicholas Estep, Direktor des Portfolios Emerging Technologies der DIU, erklärte, ist “der Zugang zum kommerziellen und nicht traditionellen Ökosystem ein Schlüsselfaktor, um die Fortschritte in der Hyperschallgemeinschaft zu beschleunigen, insbesondere um die Missionszeitleisten zu schließen und auf Masse und Wirtschaftlichkeit hinzuarbeiten.”
Fortschrittliche Materialien für extreme Umgebungen
Die Entwicklung von Legierungen und Keramiken, die hohen Temperaturen standhalten, ist für den Bau zuverlässiger und leistungsstarker Hyperschallkomponenten unerlässlich.
Hyperschallfahrzeuge arbeiten unter extremen Bedingungen, mit Oberflächentemperaturen, die 1000 °C überschreiten können, und außergewöhnlichen strukturellen Belastungen. Komplexe hochtemperaturbeständige Keramiklegierungen (RCCA) stellen eine neue Materialklasse dar, die Elemente wie Hafnium, Ruthenium, Titan und Wolfram in optimierten Verhältnissen kombiniert, um Schmelzpunkte über 1000 °C, hervorragende Beständigkeit gegen Sauerstoffkorrosion und überlegene mechanische Eigenschaften in Bezug auf Kriechfestigkeit, Bruchzähigkeit und Ermüdung zu erreichen.
Diese fortschrittlichen Materialien eignen sich besonders für Bauteile im Hyperschallbereich wie Scramjet-Triebwerke, Steuerflächen und Strukturen, die intensiven Wärmeströmen ausgesetzt sind. Die additive Fertigung ermöglicht die Verarbeitung dieser komplexen Legierungen und überwindet die Schwierigkeiten der traditionellen Metallurgie, wodurch optimierte Geometrien für die thermische und strukturelle Führung in einer einzigen integrierten Komponente realisiert werden können.
Innovative Produktionsprozesse: Vom Design zur Fertigung
Das 3D-Drucken ermöglicht Geometrien, die mit traditionellen Methoden unmöglich sind, und eröffnet neue Gestaltungsmöglichkeiten für Scramjet-Triebwerke und integrierte Strukturen.
Der Demonstrator DART AE von Hypersonix veranschaulicht perfekt die Potenziale der additiven Fertigung für Hyperschallfahrzeuge. Die Flugzeugzelle, etwa 3 Meter lang und mit einer Masse von rund 300 kg, wurde vollständig aus Hochtemperaturlegierungen mittels additiver Fertigung hergestellt. Der Druck der gesamten Plattform ermöglicht die Optimierung von Gewicht, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit und reduziert drastisch die Zeit zwischen Prototypen, was für Testkampagnen mit hoher Taktzahl entscheidend ist.
Das SPARTAN-Triebwerk, das das DART AE bestückt, ist ein Scramjet der fünften Generation, vollständig im 3D-Druck gefertigt, mit fester Geometrie, bewegungsfreien Teilen und Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff. Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung der komplexen inneren Geometrie für die Überschallverbrennung in einem einzigen Bauteil und integriert dabei Kühlkanäle und aerodynamische Oberflächen, die mit konventionellen Techniken nicht realisierbar wären.
Ursa Major hat einen ähnlichen Weg mit seinem Hadley H13-Triebwerk eingeschlagen, das zu etwa 80 % mit additiver Fertigung gebaut wurde. Nach erfolgreichen ersten Zündtests integriert das H13 fortschrittliche Materialien, um die Lebensdauer und Leistung zu steigern, während die interne Fertigung von Schlüsselkomponenten durch 3D-Druck eine engere Kontrolle über Qualität und Kosten ermöglicht.
HyCAT und darüber hinaus: Konfigurierbare Testplattformen
Das HyCAT-Programm zeigt, wie AM Hyperschalltests schneller, kostengünstiger und reproduzierbarer im Vergleich zu klassischen Techniken machen kann.
Die Kombination aus einem zertifizierten kommerziellen Träger wie HASTE von Rocket Lab und einem vollständig mit digitalen Prozessen produzierten Hyperschalltestfahrzeug ermöglicht ein industrielleres Testmodell, das auf häufigen iterativen Zyklen statt auf isolierten, hochwertigen Kampagnen basiert. Während der Mission “That's Not A Knife” brachte HASTE DART AE bis zum Freigabepunkt in der Hochatmosphäre und schuf damit die Bedingungen für die Zündung des Scramjet-Triebwerks und den Flug im Hyperschallbereich über Mach 5.
HyCAT verlagert den Fokus: Anstatt sich nur auf den Motor zu beschränken, zielt das Programm darauf ab, die Produktion der Testfahrzeuge selbst zu industrialisieren und sie in relativ wiederverwendbare Vermögenswerte umzuwandeln, die in kurzer Zeit hergestellt werden können, um eine größere Anzahl von Testfällen für Motoren, Materialien und Subsysteme zu generieren. Wenn sich die HyCAT-Methodik als wirksam erweist, könnte sie zu einer strukturellen Erhöhung der Nachfrage nach 3D-gedruckten Komponenten für Testfahrzeuge, aerodynamische Strukturen, Kühlsysteme und Wärmeschutzelemente führen.
Fallstudie: Hypersonix und Ursa Major
Zwei industrielle Beispiele, die die praktische Anwendung der additiven Fertigung bei der Entwicklung von Betriebsraketentriebwerken und Hyperschallfahrzeugen veranschaulichen.
Hypersonix stellt DART AE als Demonstrator für souveräne Hyperschallfähigkeiten vor und betont die Rolle von Design und Produktion, die in Australien durchgeführt werden. Auf Anwendungsebene zielt das Unternehmen darauf ab, Regierungs- und Industriekunden einen Hochfrequenztestdienst anzubieten, bei dem Nutzlasten, Materialien, Sensoren oder Steueralgorithmen in einer echten Hyperschallumgebung mit relativ schnellen Missionszyklen getestet werden können.
Ursa Major hat seinerseits das Hadley-Triebwerk als standardisierte und einsatzbereite Lösung für Hyperschallflüge und kleine Trägerraketen entwickelt. Wie Chris Spagnoletti, CEO von Ursa Major, erklärte: “Hadley ist das grundlegende Triebwerk von Ursa Major, das bereits mehrmals im Hyperschall geflogen ist. Mit neuen Materialien und Herstellungsprozessen kann die H13 mehr als doppelt so oft wiederverwendet werden wie frühere Varianten, was die Kosten pro Flug senkt und neue Testziele und Missionsprofile unterstützt.”
Das Hadley-Triebwerk ist das erste US-amerikanische Triebwerk seiner Klasse, das Mach 5 erreicht und unversehrt zurückkehrt – ein Ergebnis, das an Bord des Talon-A von Stratolaunch erzielt wurde. Für Kunden der Verteidigung ist der strategische Druck hinter der H13 klar: Hyperschallprogramme bewegen sich schneller, als die traditionelle Fertigung bewältigen kann. Die additive Fertigung ermöglicht die Produktion komplexer Komponenten ohne spezielle Ausrüstung, eine schnelle Iteration und eine Skalierung der Produktion, ohne ganze Lieferketten neu organisieren zu müssen.
Abschluss
Die additive Fertigung ist nicht nur eine aufstrebende Technologie, sondern ein Schlüsselinstrument für den Betrieb und die Innovation in Hyperschallsystemen.
Der DART AE-Fall zeigt, wie die additive Fertigung zu einem Schlüsselelement bei der Entwicklung von Hyperschallsystemen wird, sowohl im Antriebs- als auch im Strukturbereich.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
- Was ist das Hauptziel des vom Pentagon gestarteten HyCAT-Programms?
- Das HyCAT-Programm zielt darauf ab, Hyperschalltestplattformen zu entwickeln, die kostengünstiger, schneller zu produzieren und leicht wiederverwendbar sind. Es soll die Grenzen traditioneller Infrastrukturen wie Windkanäle überwinden und häufigere und zugänglichere Tests ermöglichen, um die Entwicklung von Hyperschallfahrzeugen zu beschleunigen.
- Wie wird der 3D-Druck bei der Entwicklung des DART AE-Demonstrators von Hypersonix verwendet?
- Die DART AE-Zelle wird vollständig durch 3D-Druck unter Verwendung von Hochtemperaturleggen hergestellt, was die Optimierung von Gewicht, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit ermöglicht. Darüber hinaus wurde der Scramjet-Motor SPARTAN in einem einzigen Stück gebaut und integriert komplexe Geometrien, die mit traditionellen Methoden nicht zu erreichen sind.
- Welche Vorteile bietet die additive Fertigung bei der Entwicklung von Scramjet-Motoren?
- Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, die für die Überschallverbrennung erforderlich sind, einschließlich Kühlkanälen und aerodynamischen Oberflächen, in einer einzigen Komponente. Er reduziert die Produktionszeiten, verbessert die strukturelle Integration und senkt die Kosten im Vergleich zu traditionellen Methoden.
- Welche Materialien werden verwendet, um extremen Bedingungen bei Hyperschallfahrzeugen standzuhalten?
- Es werden komplexe zusammengesetzte keramische Refraktärlegierungen (RCCA) verwendet, die Elemente wie Hafnium, Ruthenium, Titan und Wolfram enthalten. Diese Materialien bieten hohe Schmelzpunkte, Korrosionsbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften unter thermischen und strukturellen Belastungen.
- Wie nutzt der Hadley H13-Motor von Ursa Major die additive Fertigung?
- Der H13 wird zu etwa 80 % mit additiven Technologien gebaut, was eine größere Kontrolle über Qualität und Kosten ermöglicht. Durch neue Materialien kann er im Vergleich zu früheren Versionen mehrfach wiederverwendet werden, was die Kosten pro Flug senkt und die Testhäufigkeit erhöht.
