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(guó)火箭行業(yè)新貴Relativity“相對(duì)論”太空公司獲得了1.4億美元的投資,用以推進(jìn)其看似瘋狂的太空愿景:3D打印整個(gè)火箭,并將其送上太空。當(dāng)像SpaceX和藍(lán)色起源投資于可重復(fù)使用的火箭時(shí),“相對(duì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)化?

據(jù)報(bào)道,“相對(duì)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(lán)色起源公司從事推進(jìn)器和3D打印研發(fā),首席技術(shù)官喬丹·諾恩(Jordan Noone)曾是藍(lán)色起源的實(shí)習(xí)生,后來在SpaceX擔(dān)任推進(jìn)發(fā)展工程師。
△全金屬3D打印火箭

事實(shí)上,正是在藍(lán)色起源工作時(shí),埃利斯第一次有了3D打印火箭的想法。他認(rèn)為,太空行業(yè)的未來是3D打印,而不僅僅是重復(fù)利用整個(gè)運(yùn)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(shí)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(huì)發(fā)射火箭的?！?埃利斯說。

△金屬3D打印機(jī)STARGATE“星際之門”工廠

目前,“相對(duì)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(jī)“星際之門”。“星際之門”有一個(gè)房間那么大,利用電子控制系統(tǒng)、熱成像照相機(jī)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(jiān)固、可靠的合金火箭。此外,公司還擁有一個(gè)內(nèi)部冶金和材料表征實(shí)驗(yàn)室。

△Relativity Space HQ的Stargate 金屬3D打印機(jī)

“相對(duì)論”太空公司設(shè)計(jì)的全3D打印引擎名為Aeon 1,使用液氧和甲烷作為推進(jìn)劑。Aeon 1發(fā)動(dòng)機(jī)最突出的性能是其簡(jiǎn)約性——通過減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，點(diǎn)火器，渦輪泵，反作用力推進(jìn)器和車輛增壓系統(tǒng)中的零件數(shù)量，它只有100個(gè)左右的零件,而大多數(shù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通常有數(shù)千個(gè)零件。據(jù)稱,這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)宇航局斯坦尼斯航天中心對(duì)Aeon 1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了200多次高溫測(cè)試。

△3D打印的Relativity Space Aeon發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火

全金屬3D打印火箭技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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(shí)現(xiàn)了全新的價(jià)值鏈和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 Stargate工廠可以提高改善Terran 1火箭的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，質(zhì)量和速度的能力，優(yōu)勢(shì)包括：

• 零固定工具，減少零件數(shù)量
• 更快的設(shè)計(jì)迭代和零件優(yōu)化
• 實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)
• 傳感器和分析驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)
• Relativity開發(fā)了多種專為3D打印設(shè)計(jì)的專有合金，以滿足關(guān)鍵任務(wù)性能
  

Relativity認(rèn)為，一般來說,火箭由有效載荷、制導(dǎo)、推進(jìn)和結(jié)構(gòu)這四個(gè)主要系統(tǒng)組成。它60年一直依靠大型工廠、固定工具、復(fù)雜的供應(yīng)鏈和大量的體力勞動(dòng)，在2年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)制造出包含100,000多個(gè)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(gè)使火箭制造自動(dòng)化的航空航天平臺(tái)，垂直集成了智能機(jī)器人技術(shù)、軟件和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jī)和AI驅(qū)動(dòng)的控件，不斷優(yōu)化生產(chǎn)，從而大大提高了質(zhì)量和時(shí)間，降低了成本，并可以實(shí)現(xiàn)制造以前不可能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(gè)應(yīng)用產(chǎn)品。 在20年內(nèi)，他們的星際之門工廠將擴(kuò)展到整個(gè)航空航天領(lǐng)域。



△一個(gè)全新的價(jià)值鏈：專門針對(duì)3D打印的設(shè)計(jì)部件→選擇適合的原材料→金屬3D打印成型→達(dá)到低成本、高效率的火箭制造目標(biāo)




△專為Stargate設(shè)計(jì)的高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室，可快速迭代新合金的開發(fā)。



△智能控制，實(shí)時(shí)質(zhì)量控制和零件檢查，智能數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造，機(jī)器學(xué)習(xí)控制算法，增材減材一體化的金屬3D打印，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀。



△傳感器與分析，自動(dòng)化機(jī)器人和路徑規(guī)劃，在制造過程中捕獲驗(yàn)證和確認(rèn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)靈活且高度可擴(kuò)展，基于云的制造模擬和培訓(xùn)

全金屬3D打印火箭Terran 1性能數(shù)據(jù)
Terran 1由Relativity在美國(guó)設(shè)計(jì)和制造，是一款真正的下一代運(yùn)載火箭，專為未來的星座部署和補(bǔ)給而設(shè)計(jì)。其開創(chuàng)性和獨(dú)特的架構(gòu)旨在滿足衛(wèi)星客戶不斷變化的需求，同時(shí)提供市場(chǎng)上最敏捷，最經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jí)火箭9個(gè)Aeon 1 發(fā)動(dòng)機(jī)；二級(jí)火箭1個(gè)Aeon Vac發(fā)動(dòng)機(jī)，可重啟
推力：近地軌道每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)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(jìng)爭(zhēng),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(chǎng)上最小的火箭只能攜帶150公斤的有效載荷。

“相對(duì)論”太空公司的懷疑者和反對(duì)者認(rèn)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(huì)爆炸,有時(shí)還會(huì)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(shí)驗(yàn)室的貝克認(rèn)為,“3D打印的結(jié)果有時(shí)會(huì)更貴,更耗時(shí)。”而且,很多時(shí)候“宣布已經(jīng)做出了第一個(gè)任何吸引人的東西”是小型創(chuàng)業(yè)公司的公關(guān)噱頭。