60天造全金屬3D打印火箭，Relativity要顛覆SpaceX嗎？

2019年10月，南極熊注意到，美國火箭行業(yè)新貴Relativity“相對論”太空公司獲得了1.4億美元的投資,用以推進其看似瘋狂的太空愿景:3D打印整個火箭,并將其送上太空。當像SpaceX和藍色起源投資于可重復使用的火箭時,“相對論”太空公司質(zhì)疑,為什么不把所有的部件都3D打印出來,并實現(xiàn)整個過程的自動化?

據(jù)報道,“相對論”太空公司4年前成立于西雅圖,目前總部在洛杉磯,由兩名90后火箭工程師創(chuàng)立:首席執(zhí)行官蒂姆·埃利斯(Tim Ellis)曾在藍色起源公司從事推進器和3D打印研發(fā),首席技術(shù)官喬丹·諾恩(Jordan Noone)曾是藍色起源的實習生,后來在SpaceX擔任推進發(fā)展工程師。
△全金屬3D打印火箭

事實上,正是在藍色起源工作時,埃利斯第一次有了3D打印火箭的想法。他認為,太空行業(yè)的未來是3D打印,而不僅僅是重復利用整個運載火箭?！皠?chuàng)辦一家火箭公司很難,創(chuàng)辦一家3D打印公司也很難,同時創(chuàng)辦這兩家公司更是難上加難。除非我們開發(fā)出金屬3D打印技術(shù),否則我們是不會發(fā)射火箭的?！?埃利斯說。

△金屬3D打印機STARGATE“星際之門”工廠

目前,“相對論”太空公司在洛杉磯的工廠制造火箭部件,公司建造了世界上最大的3D金屬打印機“星際之門”。“星際之門”有一個房間那么大,利用電子控制系統(tǒng)、熱成像照相機和安裝在材料存放處附近的傳感器組合在一起,來打印出由更堅固、可靠的合金火箭。此外,公司還擁有一個內(nèi)部冶金和材料表征實驗室。

△Relativity Space HQ的Stargate 金屬3D打印機

“相對論”太空公司設(shè)計的全3D打印引擎名為Aeon 1,使用液氧和甲烷作為推進劑。Aeon 1發(fā)動機最突出的性能是其簡約性——通過減少發(fā)動機燃燒室，點火器，渦輪泵，反作用力推進器和車輛增壓系統(tǒng)中的零件數(shù)量，它只有100個左右的零件,而大多數(shù)火箭發(fā)動機通常有數(shù)千個零件。據(jù)稱,這個發(fā)動機不用60天就能打印出來。該公司表示,他們已經(jīng)在位于密西西比州的美國宇航局斯坦尼斯航天中心對Aeon 1火箭發(fā)動機進行了200多次高溫測試。

△3D打印的Relativity Space Aeon發(fā)動機點火

全金屬3D打印火箭技術(shù)優(yōu)勢

Relativity聲稱，在數(shù)年之內(nèi)，Stargate工廠將可以在60天內(nèi)打印出世界上第一枚全3D打印火箭Terran。 Stargate的專利技術(shù)實現(xiàn)了全新的價值鏈和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 Stargate工廠可以提高改善Terran 1火箭的設(shè)計，生產(chǎn)，質(zhì)量和速度的能力，優(yōu)勢包括：

• 零固定工具，減少零件數(shù)量
• 更快的設(shè)計迭代和零件優(yōu)化
• 實時質(zhì)量控制和零件檢查，在3D打印期間和之后檢查零件，以確保它們符合最高的均勻度和質(zhì)量標準
• 傳感器和分析驅(qū)動的機器學習
• Relativity開發(fā)了多種專為3D打印設(shè)計的專有合金，以滿足關(guān)鍵任務(wù)性能
  

Relativity認為，一般來說,火箭由有效載荷、制導、推進和結(jié)構(gòu)這四個主要系統(tǒng)組成。它60年一直依靠大型工廠、固定工具、復雜的供應(yīng)鏈和大量的體力勞動，在2年或更長時間內(nèi)制造出包含100,000多個零件的昂貴火箭。


金屬3D打印技術(shù)，助力新的火箭制造模式

Relativity建立的星際之門Stargate工廠，這是第一個使火箭制造自動化的航空航天平臺，垂直集成了智能機器人技術(shù)、軟件和數(shù)據(jù)驅(qū)動的3D打印技術(shù)。


Stargate工廠整合了世界上最大的金屬3D打印機和AI驅(qū)動的控件，不斷優(yōu)化生產(chǎn)，從而大大提高了質(zhì)量和時間，降低了成本，并可以實現(xiàn)制造以前不可能的產(chǎn)品設(shè)計。自己即可打印火箭95%的部件,其余僅5%的電纜、芯片或橡膠部件外購。

作為第一家全3D打印火箭應(yīng)用的公司，Terran 1是Relativity第一個應(yīng)用產(chǎn)品。 在20年內(nèi)，他們的星際之門工廠將擴展到整個航空航天領(lǐng)域。



△一個全新的價值鏈：專門針對3D打印的設(shè)計部件→選擇適合的原材料→金屬3D打印成型→達到低成本、高效率的火箭制造目標




△專為Stargate設(shè)計的高強度合金線材。旨在滿足關(guān)鍵任務(wù)結(jié)構(gòu)要求的物理性能、內(nèi)部材料表征實驗室，可快速迭代新合金的開發(fā)。



△智能控制，實時質(zhì)量控制和零件檢查，智能數(shù)據(jù)驅(qū)動制造，機器學習控制算法，增材減材一體化的金屬3D打印，可實現(xiàn)復雜的幾何形狀。



△傳感器與分析，自動化機器人和路徑規(guī)劃，在制造過程中捕獲驗證和確認數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)靈活且高度可擴展，基于云的制造模擬和培訓

全金屬3D打印火箭Terran 1性能數(shù)據(jù)
Terran 1由Relativity在美國設(shè)計和制造，是一款真正的下一代運載火箭，專為未來的星座部署和補給而設(shè)計。其開創(chuàng)性和獨特的架構(gòu)旨在滿足衛(wèi)星客戶不斷變化的需求，同時提供市場上最敏捷，最經(jīng)濟實惠的發(fā)射服務(wù)。

最大有效載荷：近地軌道1,250 KG至185 KM ；太陽同步軌道900 kg to 500 km ，700 kg to 1200 km

一級火箭9個Aeon 1 發(fā)動機；二級火箭1個Aeon Vac發(fā)動機，可重啟
推力：近地軌道每臺發(fā)動機19,500 lbf-vac，組合175,500 lbf-vac；太陽同步軌道22,500 lbf-vac

公眾質(zhì)疑
Relativity太空公司的目標是將大約1250公斤的物體送入軌道，這與SpaceX的獵鷹重型火箭64噸的有效載荷相比是微不足道的，后者是前者的50多倍。因此,它并非要與SpaceX競爭,而是專注于將較小的衛(wèi)星送入低地球軌道——目前,太空市場上最小的火箭只能攜帶150公斤的有效載荷。

“相對論”太空公司的懷疑者和反對者認為,航天工業(yè)并沒有像其他一些產(chǎn)業(yè)一樣迅速產(chǎn)生變革,這是有充分理由的:火箭制造需投入巨額資金,火箭會爆炸,有時還會危及人的生命。

雖然同樣在探索3D打印火箭部件,來自火箭實驗室的貝克認為,“3D打印的結(jié)果有時會更貴,更耗時。”而且,很多時候“宣布已經(jīng)做出了第一個任何吸引人的東西”是小型創(chuàng)業(yè)公司的公關(guān)噱頭。