60天造全金属3D打印火箭,Relativity要颠覆SpaceX吗?

作者:机械设备

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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。12

今年 4 月,SpaceX 重型猎鹰完成首次商业发射,并首次成功回收三枚助推器,这对于 SpaceX 和整个航天史来说都是一个里程碑,这意味着火箭发射的成本有望大大降低。

马斯克曾表示一旦火箭回收常态化,能降低 99 %的发射成本。尽管这个数字还存在争议,但不少业内专家也都承认这是目前火箭发射性价比最高的方案。

那除此之外还有没有别的降低发射成本的方法?3D 打印是其中一个答案。

Relativity Space就是一家计划用 3D 打印技术来制造火箭的公司,这家公司的首席执行官是 29 岁的 Tim Ellis,他曾在亚马逊 CEO Jeff Bezos 旗下的太空公司 (Blue Origin) 中从事推进器和 3D 打印研发,而另一位创始人 Jordan Noone 则先后在蓝色起源和 SpaceX 工作。

▲ Tim Ellis 站在 3D 金属打印机 Stargate 前.

在接受《连线》杂志采访时,Tim Ellis 表示希望通过将 3D 打印技术和人工智能结合,像汽车流水生产线上的机器人一样来制造火箭。

这一切都由几台三层楼高的机器 Stargate 完成,这也是目前世界上最大 3D 金属打印机,据称只要 60 天就可以从原材料生产出能用于发射的火箭。

最新型号的 Stargate 配备两个巨大的机械臂,在打印大型部件时,机械臂会将金属融化后沉积成薄层,同时机械臂末端的打印头会吹出一种惰性气体作为保护气,还能通过激光对不锈钢材料进行焊接。

而机械臂的运动主要由 AI 算法来驱动,在打印前会先进行模拟。机械臂上配备了多种传感器来收集视觉、环境和音频等数据,增加零件后也能通过机器学习算法来自行调整,打印完毕后就可以接着自动组装

火箭的构造十分复杂,涉及大量精密的仪器和元件,为了能用打印出火箭,Relativity Space 不得不简化火箭的设计,以目前已经成功打印的火箭引擎 Aeon 1 为例,只有 100 个零件组成,而一般的火箭发动机至少需要数千个零件。

据悉不到 20 天就能打印出这样一台引擎,而且 Aeon 1 火箭引擎已经在位于密西西比州的美国宇航局斯坦尼斯航天中心进行了 200 多次高温测试。

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