Hola Grant, señor. La respuesta de Vietinghoff a esta pregunta es bastante excelente. No cambiaría nada de lo que ha dicho. Sin embargo, (como es habitual para mí) me gustaría agregar un detalle o dos …
La técnica de construcción ‘tubular’ a la que aludió Vietinghoff fue uno de los ‘avances’ fundamentales de la construcción de la cámara de cohetes enfriados. El objetivo aquí era hacer que la ‘ruta térmica’ desde el gas de combustión caliente hasta el refrigerante de la cámara (RP-1 en el caso del motor F-1) sea lo más ‘corta’ posible. Los tubos de pared delgada formados por extrusión lo hicieron posible. Los tubos de refrigerante del motor de cohete se forman rutinariamente con espesores de pared de menos de 0.010 pulgadas. Las fundiciones con paredes tan delgadas son un problema.
La noción de que los castings son una ‘solución’ para problemas persistentes como este ‘vuelve’ de vez en cuando. En las turbombombas originales de alta presión para el SSME, había una gran parte de la parte de turbina de estas máquinas que se fabricaron con chapa metálica que se formó y luego se soldaron a mano. Probablemente puedas adivinar lo que pasó. Tuvimos problemas con las grietas de soldadura, muchas de ellas. Cuando las bombas de segunda generación estaban ‘llegando’ (fabricadas por Pratt y Whitney) varias personas dijeron ‘solo vamos a usar piezas fundidas para estas piezas. ¡Todo lo que tienes que hacer es verter metal en un molde, y lo tienes! Algunos de nosotros nos sentamos y nos miramos. Huelga decir que cuando se probaron las primeras iteraciones de estas bombas en un SSME, las piezas de fundición de ‘alta tecnología avanzada’ se agrietaron. Resolver este problema tomó al menos tanto tiempo y esfuerzo como lo dedicamos a los problemas de grietas de soldadura.
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Lo que estoy tratando de decir (quizás mal) de lo anterior es que las piezas fundidas rara vez son una solución a problemas “reales”, especialmente en este tipo de entornos. Primero, hay un ‘problema’ con las propiedades de los materiales de fundición. Por lo general, nunca son iguales a las propiedades de los materiales forjados o ‘forjados’, a menos que se utilicen procesos largos y costosos de ‘tratamiento’ posterior al vaciado. Esto es particularmente cierto con la consistencia (o previsibilidad) de estas propiedades. Además, las piezas fundidas a menudo tienen dificultades sustanciales en entornos térmicamente exigentes, como el de una cámara de combustión de cohete líquido, debido a los gradientes térmicos extremos que existen allí.
Algunas personas se apresurarán a recordarnos que las palas de las turbinas a menudo son piezas fundidas, y su entorno térmico es bastante difícil. ¿Entonces, cuál es el problema?
El entorno térmico en (por ejemplo) una cámara de combustión de turbina de gas, aunque desafiante, también se maneja con mucho cuidado. Las personas que diseñan esas cosas hacen todo lo posible para asegurarse de que el entorno térmico creado por la cámara de combustión (tanto en estado estable como transitorio) sea compatible con los álabes de la turbina, tanto desde el punto de vista estructural como de durabilidad.
Un motor de cohete de combustible líquido es un ‘animal’ completamente diferente. Primero, (particularmente con un motor criogénico), la secuencia de arranque del motor a menudo no se encuentra bajo un control particularmente bueno, debido a la vaporización tanto del combustible líquido como del oxidante en las diversas cámaras de combustión (que generalmente comienzan a calentarse a temperatura ambiente o cerca de ella). Esto da como resultado que la relación de mezcla inicial se salga fácilmente de control y, con ello, las temperaturas iniciales y las tasas de calentamiento. El SSME es un ejemplo particularmente espectacular de esto. Además, los flujos de calor en un motor de cohete líquido son fácilmente un orden de magnitud mayor que los de un motor de turbina de gas típico.
Para resumir, estoy tratando de comunicarle lo siguiente:
En una cámara de combustión de cohetes, las rutas térmicas cortas (y, por lo tanto, las paredes delgadas) son un requisito fundamental, y las piezas fundidas no tienden a satisfacer esto muy bien, al menos ninguna que haya visto. Tal vez alguien con conocimiento ‘actualizado’ de esta situación pueda comentar aquí.
Las fundiciones no son en modo alguno un proceso ‘fácil’. Es fácil / divertido imaginar que lo son, pero no es el caso. Las piezas de fundición vienen con ‘equipaje’ propio, y a menudo no se reconoce hasta que es demasiado tarde.
Con respecto a la impresión en 3-D, hay algunos trabajos de desarrollo en curso mientras hablamos sobre este tema, tanto para cámaras de combustión como para turbomáquinas. Un problema en particular para la impresión en 3-D son las propiedades del material que resultan del proceso de ‘impresión’. Parece variar tanto con la máquina como con el programador / operador. Esta situación está comenzando a estar bajo control, pero tenemos un largo camino por recorrer antes de que las propiedades del material de una parte ‘impresa’ puedan contarse en el mismo grado que una parte hecha de material forjado o ‘forjado’ convencional. Y sin datos confiables de propiedad de material, el diseño adecuado de una parte no es posible, especialmente partes como en un motor de cohete líquido donde, por su propia naturaleza, los márgenes estructurales están siendo ’empujados’. Al igual que con los moldes, la impresión en 3D viene con su propia marca de ‘equipaje’, al menos en este momento.
Muchas gracias.
