60天造全金属3D打印火箭，又一个高端制造领域被革新

2019年10月，南极熊注意到，美国火箭行业新贵Relativity“相对论”太空公司获得了1.4亿美元的投资,用以推进其看似疯狂的太空愿景:3D打印整个火箭,并将其送上太空。当像SpaceX和蓝色起源投资于可重复使用的火箭时,“相对论”太空公司质疑,为什么不把所有的部件都3D打印出来,并实现整个过程的自动化?

据报道,“相对论”太空公司4年前成立于西雅图,目前总部在洛杉矶,由两名90后火箭工程师创立:首席执行官蒂姆·埃利斯(Tim Ellis)曾在蓝色起源公司从事推进器和3D打印研发,首席技术官乔丹·诺恩(Jordan Noone)曾是蓝色起源的实习生,后来在SpaceX担任推进发展工程师。

△全金属3D打印火箭

事实上,正是在蓝色起源工作时,埃利斯第一次有了3D打印火箭的想法。他认为,太空行业的未来是3D打印,而不仅仅是重复利用整个运载火箭。“创办一家火箭公司很难,创办一家3D打印公司也很难,同时创办这两家公司更是难上加难。除非我们开发出金属3D打印技术,否则我们是不会发射火箭的。” 埃利斯说。

△金属3D打印机STARGATE“星际之门”工厂

目前,“相对论”太空公司在洛杉矶的工厂制造火箭部件,公司建造了世界上最大的3D金属打印机“星际之门”。“星际之门”有一个房间那么大,利用电子控制系统、热成像照相机和安装在材料存放处附近的传感器组合在一起,来打印出由更坚固、可靠的合金火箭。此外,公司还拥有一个内部冶金和材料表征实验室。

△Relativity Space HQ的Stargate 金属3D打印机

“相对论”太空公司设计的全3D打印引擎名为Aeon 1,使用液氧和甲烷作为推进剂。Aeon 1发动机最突出的性能是其简约性——通过减少发动机燃烧室，点火器，涡轮泵，反作用力推进器和车辆增压系统中的零件数量，它只有100个左右的零件,而大多数火箭发动机通常有数千个零件。据称,这个发动机不用60天就能打印出来。该公司表示,他们已经在位于密西西比州的美国宇航局斯坦尼斯航天中心对Aeon 1火箭发动机进行了200多次高温测试。

△3D打印的Relativity Space Aeon发动机点火

全金属3D打印火箭技术优势

Relativity声称，在数年之内，Stargate工厂将可以在60天内打印出世界上第一枚全3D打印火箭Terran。Stargate的专利技术实现了全新的价值链和创新的结构设计。Stargate工厂可以提高改善Terran 1火箭的设计，生产，质量和速度的能力，优势包括：

零固定工具，减少零件数量；

更快的设计迭代和零件优化；

实时质量控制和零件检查，在3D打印期间和之后检查零件，以确保它们符合最高的均匀度和质量标准；

传感器和分析驱动的机器学习；

Relativity开发了多种专为3D打印设计的专有合金，以满足关键任务性能。

Relativity认为，一般来说,火箭由有效载荷、制导、推进和结构这四个主要系统组成。它60年一直依靠大型工厂、固定工具、复杂的供应链和大量的体力劳动，在2年或更长时间内制造出包含100,000多个零件的昂贵火箭。

金属3D打印技术，助力新的火箭制造模式

Relativity建立的星际之门Stargate工厂，这是第一个使火箭制造自动化的航空航天平台，垂直集成了智能机器人技术、软件和数据驱动的3D打印技术。

Stargate工厂整合了世界上最大的金属3D打印机和AI驱动的控件，不断优化生产，从而大大提高了质量和时间，降低了成本，并可以实现制造以前不可能的产品设计。自己即可打印火箭95%的部件,其余仅5%的电缆、芯片或橡胶部件外购。

作为第一家全3D打印火箭应用的公司，Terran 1是Relativity第一个应用产品。在20年内，他们的星际之门工厂将扩展到整个航空航天领域。

一个全新的价值链：专门针对3D打印的设计部件→选择适合的原材料→金属3D打印成型→达到低成本、高效率的火箭制造目标

 专为Stargate设计的高强度合金线材。旨在满足关键任务结构要求的物理性能、内部材料表征实验室，可快速迭代新合金的开发。

智能控制，实时质量控制和零件检查，智能数据驱动制造，机器学习控制算法，增材减材一体化的金属3D打印，可实现复杂的几何形状。

传感器与分析，自动化机器人和路径规划，在制造过程中捕获验证和确认数据，系统架构灵活且高度可扩展，基于云的制造模拟和培训

全金属3D打印火箭Terran 1性能数据

Terran 1由Relativity在美国设计和制造，是一款真正的下一代运载火箭，专为未来的星座部署和补给而设计。其开创性和独特的架构旨在满足卫星客户不断变化的需求，同时提供市场上最敏捷，最经济实惠的发射服务。

最大有效载荷：近地轨道1,250 KG至185 KM ；太阳同步轨道900 kg to 500 km ，700 kg to 1200 km.

一级火箭9个Aeon 1 发动机；二级火箭1个Aeon Vac发动机，可重启推力：近地轨道每台发动机19,500 lbf-vac，组合175,500 lbf-vac；太阳同步轨道22,500 lbf-vac

公众质疑

Relativity太空公司的目标是将大约1250公斤的物体送入轨道，这与SpaceX的猎鹰重型火箭64吨的有效载荷相比是微不足道的，后者是前者的50多倍。因此,它并非要与SpaceX竞争,而是专注于将较小的卫星送入低地球轨道——目前,太空市场上最小的火箭只能携带150公斤的有效载荷。

“相对论”太空公司的怀疑者和反对者认为,航天工业并没有像其他一些产业一样迅速产生变革,这是有充分理由的:火箭制造需投入巨额资金,火箭会爆炸,有时还会危及人的生命。

虽然同样在探索3D打印火箭部件,来自火箭实验室的贝克认为,“3D打印的结果有时会更贵,更耗时。”而且,很多时候“宣布已经做出了第一个任何吸引人的东西”是小型创业公司的公关噱头。