로켓모터 3D 프린팅

MIT 로켓 모터 3D 프린팅 프로젝트


로켓모터 3D 프린팅 프로젝트의 시작


로켓 모터는 일반적으로 고무 모양의 추진체를 둘러싼 길고 날렵한 금속 튜브로 이루어져 있습니다. 이 디자인은 로켓 모터에서 흔히 볼 수 있으며 모터 내부의 고체 로켓 연료는 섭씨 2,700도 이상에서 연소하며 약 640 kg / cm2 이상의 압력을 생성합니다.​

로켓모터에서 플라스틱 부품을 찾을 수 있을까요? 이 질문은 아주 재미있는 도전처럼 들렸습니다. ​​결론부터 말하자면, 이 프로젝트의 결과로 플라스틱으로 프린팅 된 첫 번째 로켓 모터를 만들어냈습니다.​Space X 및 NASA와 같은 많은 그룹은 금속으로 된 로켓 모터를 프린팅했지만 금속 프린터는 보통 억대가 넘는 가격으로 현실적으로 학생이 구매하기 어렵습니다. ​그래서 우리의 로켓 모터 프로젝트는 고강도 3D 프린터 마크포지드 (Markforged)  'Mark Two' 모델로  진행 하였습니다.


디자인 및 재료 선택


우선 디자인을 살펴보면, 추진체를 수용 할 수있는 긴 실린더와 나사 부분, 뜨거운 가스의 흐름을 유도하고 추진력을 생성하는 노즐로 구성됩니다. 전체 어셈블리는 엔진이 켜진 상태에서도 그대로 유지 되어야하며 내부 압력은 보통 5MPa와 3000K에 도달합니다.


마크포지드의 CFF (Continuous Fiber Fabrication) 기술은 플라스틱 부분이 로켓 모터의 극한 환경을 견딜 수 있기에 적합한 해결책이었습니다. 내부 압력은 후프 응력 (원주) 및 축 방향 응력, 두 가지 방향으로 나타납니다. Mark Two는 모터 케이스의 내면은 파이버글라스로 프린팅 된 후프 (hoops)를 설치하여 후프 응력을 대응하는 동시에 원주 방향으로 인장 강도를 증가시키고 Onyx를 통해 모터 케이스에 ​축 방향 응력을 대응합니다. 나일론과 탄소가 결합된 마크포지드의 Onyx소재는 플라스틱 필라멘트에 비해 강도가 강하고 더욱 견고한 부품을 만듭니다 .

마크포지드의 Fiber infill 기술은 재료가 로켓 배출 가스의 열부하를 견딜 수있게합니다. ​​대부분의 견고한 로켓 노즐과 마찬가지로 우리의 노즐은 냉각됩니다. ​노즐 소재가 가열되면 재료의 일부가 '비등'합니다. 쉽게 말해 재료의 일부가 차갑게 유지되며 이 과정에서 기존의 절삭 재료는 소모되어 수명이 짧아집니다. ​우리는 몇 번의 모터 가동에서도 지속적으로 사용할 수 있는 부품을 만들었습니다. 내열 재료는 일반적으로 유리 또는 탄소 섬유와 플라스틱 (일반적으로 페놀 수지)의 혼합물입니다.​ ​우주 왕복선의 로켓 부스터 노즐과 스페이스 엑스의 드래곤 우주선의 내열재는 모두 섬유 / 페놀성 물질로 열로부터 보호됩니다. ​재료가 가열됨에 따라 페놀 수지가 천천히 '비등'합니다. 섬유 재료는 훨씬 더 높은 온도 (2000-3000 섭씨)에 견딜 수 있으며, ​표면의 탄화층은 그 뒤의 물질을 보호합니다. 마크포지드의  파이버글라스/ 오닉스 (Fiberglass / Onyx) 소재는 기존 내열 재료와 유사한 재료입니다.​ 우리가 노즐을 일반  PLA 또는 ABS 로 만들면 내열 탄소층을 프린팅 할 수 없을 것입니다. 내열 탄소층이 없으면 노즐은 열과 압력에 의해 파괴 될 것입니다. ​



카본 소재는 많은 장점를 가지고 있습니다.  전통적인 내열 노즐 제작은 많은 자본과 기술이 필요한 일이며 또한 설계 변경은 비용이 많이 들고 오랜 리드 타임을 필요로합니다. ​마크포지드의 3D 프린팅 기술 사용시상대적으로 저렴한 비용으로 노즐을 제작 할 수 있으며 며칠 내에도 새로운 노즐을 만들 수 있습니다.



제작 및 테스트


Onyx와 Fiber Glass로 출력된 로켓 모터

마크포지드 (Markforged) 3D 프린터의  에이거 (Eiger) 소프트웨어를 사용하여 재료를 결정하고 필요한 복합소재를 설정했습니다. 모터 케이스와 노즐 프린팅에 총 2 일 7 시간이 소요되었으며 일주일 이상 걸리는 기존 방식과 비교하여 많은 시간을 절약 할 수 있었습니다. 이어서 모터를 테스트 스탠드에 고정시키는데 필요한 부품을 프린팅하고 몇 개의 O 링, 구리스, 압력 측정 장비 및 알루미늄 시트를 사용하여 로켓 모터의 조립 및 테스트 준비를 마쳤습니다.



플라스틱 로켓의 조립은 쉽고 간단했습니다. 구리스를 바르고 모터를 밀어 넣은 후 엔드 캡을 손으로 단단히 조입니다. 모터가 켜질 때까지 캡이 노즐을 완전히 밀폐하여 모터가 올바르게 가압되고 점등됩니다.​ 카운트 다운이 울려 퍼지고 ​로켓의 폭발음 소리가 점점 커집니다 그리고 5초간 불꽃을 태웁니다. 염산의 냄새가 퍼지며 동시에 환기 팬이 연기를 빨아들입니다. 카메라의 흐릿한 화면에 보이는 것은 손상되지 않은 플라스틱 로켓이었습니다.





데 이 터

테스트의 결과는 매우 고무적이지만 안정화를 위해서는 추가적인 테스트가 필요하든 결론에 도달하였습니다.

그래프는 모터 챔버의 압력을 보여줍니다. 연소가 진행됨에 따른 압력 강하를 볼 수 있습니다. ​최고 압력에서 우리는 겨우 3.5 MP을 유지할 수 있었습니다. 앞으로 우리는 5 MPa 또는 725 psi압력 유지를 위한 시험을 계획하고 있습니다.



추가 테스트를 위해서는 설계 작업 개선, 더 많은 로켓 연료, 추가 카메라 및 3D 프린터가 필요합니다.​ 본 프로젝트와 로켓 테스트를 위해 도움을 주신 마크포지드 및  MIT 항공 우주학과의 협조에 깊은 감사를 드립니다.