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全球首枚3D打印火箭最早2021年发射 60天可以造一

时间:2019-11-17 04:40来源:材料科技
TimEllis表示,我们公司制造火箭的真正秘密在于,利用人工智能来“告诉”3D打印机该做什么。打印之前,工作人员会对打印结果进行模拟,然后对3D打印机进行培训,以降低不良率。

Tim Ellis表示,我们公司制造火箭的真正秘密在于,利用人工智能来“告诉”3D打印机该做什么。打印之前,工作人员会对打印结果进行模拟,然后对3D打印机进行培训,以降低不良率。

3D 打印本身就是一项颠覆传统制造的技术。传统制造是一种减材方法,即从一块材料上切削去多余部分,最终形成物件;3D打印正相反,是一种增材的制造工艺,是通过逐层增加材料的方式,将数字模型制造成实体物件。这使得创建具有复杂内部结构的轻量级物件成为可能,而且,这些内部结构无法以任何其他方式构建。

TE: 我们的火箭发射需要 1000 万美元。这个价格与更大的火箭(如俄罗斯的联盟号、欧洲的维加和印度的极地卫星运载火箭)相比仍然具有很高的成本竞争力。那些是我们在短期内将遇到的对手。一些其他的初创公司正在提供更小的发射火箭,比如火箭实验室(Rocket Labs)的“电子”火箭(Electron rocket),它可以载荷 150 公斤,但是我们的火箭可以一次带多个有效载荷,平均到每颗卫星上的价格可能会便宜两到三倍。

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《科学美国人》: Relativity Space 与其他火箭公司有何不同?

在组装完成后,Terren-1火箭将高达100英尺,能够将重达2800磅的卫星送入近地轨道,特别适合运载中型卫星。

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TE: 我们目前可以在 30 天内从 0 开始造出一个近 100 英尺高,7 英尺宽(约 30 米高、2 米宽)的火箭,所有的部件都由 3D 打印而成。一旦零件打印出来,我们的目标是在下一个 30 天内完成组装、测试、集成和发射火箭。因此,我们希望能在 60 天内从原材料起步,制造出一个完整的火箭。我们正在使用“星际之门”制造我们自己的运载火箭——Terran 1,以及一个叫做 Aeon 1 的火箭引擎。这将是我们发射服务的基础,初步将运载 1250 公斤重的卫星进入近地轨道。我们计划在今年年底前宣布我们的发射地点,预计第一次全面、全性能测试飞行将于 2020 年晚些时候进行,商业服务将于 2021 年初开始。

近日,据外媒报道,由Relativity Space公司打造的第一艘3D打印火箭马上就要送往密西西比州进行测试,其95%都将由3D打印机制造。在这家公司的洛杉矶工厂里,有4台世界上最大的金属3D打印机,它们不分日夜地制造火箭零件。

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TE: 减少通信延迟的迫切需求是其中的一个重要部分,将延迟从数百毫秒降低到数十毫秒,使得许多靠卫星提速的应用程序以一种前所未有的方式与地面选项进行竞争。对于近地轨道,你需要大量的卫星在多个轨道飞行,以获得频繁完整的覆盖——你真的必须覆盖全球,这样就可以收集和传递大量的数据。例如,SpaceX 公司计划用其猎鹰号火箭来创建 Starlink——由数千颗卫星组成的“星座”,为全球提供高速宽带连接。但 SpaceX 并不是唯一一家拥有此类计划的公司。与 SpaceX 竞争的对手可不一定会想使用猎鹰号火箭。因此,我们正在进行两项服务,一种是在旧卫星失效的情况下用新的中型卫星对“星座”进行重新补给,另一种是在一次发射中部署完成由 50 至 100 公斤的小型卫星组成的整个环行轨道。我们能很划算地完成这两项任务,而且已经收到了超过 10 亿美元的来自商业公司和政府的意向和订单。由于保密协定,我们不能谈论太多这方面的事情,因为卫星的“星座群组”市场竞争太激烈了。但是后续我们将会公布我们的合作伙伴。

Terren-1火箭是Relativity Space公司的第一枚火箭,其95%都将由3D打印机制造,只有一些电子设备、电缆和橡胶垫圈等不会被打印出来。并且该火箭的零件将比同类火箭少100倍,它的发动机仅由100个部件组成,而一个普通的液体燃料火箭可能有数千个部件。

这个世界需要狂人。另辟蹊径的做法和紧凑的时间表所透露出来的激进,似乎从这些公司创立之初,就已深埋在创始人和公司的骨子里。

SA: 发射需要多少钱?

Relativity Space公司的创始人兼CEO Tim Ellis称,理论上他们能够在60天内让火箭从原材料到登上发射台。不过,目前还没有组装出最终的Terren-1火箭,最早也要到2021年才能发射。

不过,在制造方面, Rocket Lab 已经将 3D 打印技术发挥到了极致,“电子号”火箭的发动机舱、喷油器、涡轮分子泵和主推进剂阀门都是 3D 打印的,在减轻重量的同时还保持了结构强度。Rocket Lab预计,在规模化生产后,3D 打印技术在 72 小时内打印一台卢瑟福发动机,不到一周的时间就制造一枚火箭。这一目标比 Ellis 所说的在 20 天内打印一台发动机还要缩短很多。

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“公司创建伊始,我们就定下了长远目标,要在火星上打印出第一枚火箭。”Ellis 表示。“随着时间推移 ,我们将把工厂缩小到可以装在火箭上带到其他星球的程度。”

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Cuban 后来曾提到,当时吸引他的不仅仅是 3D 打印技术本身,而是 3D 打印火箭的想法非常独特。而且 Cuban 打一开始就对 Ellis 的能力有着非常直接的信任。

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Peter Beck 认为,卢瑟福发动机可算是性能最高的液氧煤油发动机,其性能比 SpaceX 的梅林 1D 略高。这要归功于 3D 打印。“现在,如果你没有一些 3D 打印的发动机,那你会被认为是落后于时代的”。Peter Beck 说。

近地轨道上的卫星“星座群”

好在,Ellis 还很年轻,有很长时间可以去实现这个“狂想”。

SA: 是什么推动了这种需求, Relativity Space 究竟准备如何满足这一需求?

几十年来,航天产业从来没有停下过前进的脚步,但这个以技术撑起的行业一直难以接受太过激进的技术创新。

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Relativity 后来的发展也没有辜负 Cuban 的期待。到 2018 年下半年,公司的融资金额超过了4500万美元,这群想要改造航天行业的工程师也开始进入到了大众的视野中。在过去的一年中,团队规模迅速壮大,从 14 人扩张到了超过 80 人,其中包括了曾为SpaceX 5 号员工的Tim Buzza、SpaceX 和 Virgin Orbit 前高级副总裁 David Gige 等。

Relativity Space 完全由 3D 打印制造的火箭还没建好,更别提升空了,但埃利斯相信公司最早将在 2020 年推出它的第一个火箭,之后不久就会用于商业货运航行。他说,如果一切顺利,这只是公司的第一步,他们的终极目标是通过在未来的火星殖民地上打印和发射火箭,让人类在多个行星上生活。

图丨 Relativity 工厂的主体是 Stargate 3D 打印机,公司称这是世界上最大的金属 3D 打印机

Relativity Space 3D 打印的火箭发动机,Aeon 1。图片来源:Relativity Space

其实,3D 打印一直在不断地往火箭行业渗透。例如,SpaceX 在 2014 年推出了它的第一个 3D 打印部件,即主氧化器阀体。蓝色起源也将 3D 打印组件整合到其强大的 BE-4 引擎中。

SA: 为什么是火星?你认为Relativity Space在这方面能起到什么作用?

两名创始人获得第一笔投资的故事同样精彩。Ellis 和 Noone 离开前东家后不久,美国着名投资人、NBA 球队达拉斯独行侠老板 Mark Cuban 收到了来自他们的邮件,并在其中了解了他们的计划。五分钟后,Cuban 就回复表示将为此投资 50 万美元,这个“秒回”的承诺在两个月后得到了兑现。

TE: 准确地说,协议包括 10 年的协议和 10 年的期权,在这 10 年期权内我们可以选择继续或不继续。这实际上是 20 年,因为我们想留在这里继续把事业发展壮大!我们设计和制造过程的重点是它可以很容易地放大或缩小。因此,无论市场走向何方,只要通过机器人技术和软件自动化来简化这一过程将是未来的目标,我们都将利用这个地方继续开发最有效的、最好的运载工具。最终,我们想用我们的方法来支持人类在火星上长驻。

当然了,太空狂人不会仅满足于跟上时代,Ellis 的目标不仅在于火箭,更在遥远的火星。

SA: 很明显,你正在考虑长远的目标。你在 NASA 斯坦尼航天中心的 20 年租约是否意味着你已经在计划 2030 年了?

原因简单且充分,在航天领域,可靠才是第一要义。运载火箭本身就是一个“移动的炸弹”,任何时候都需要极为精细的控制,而在飞行过程中,任何一点差错都可能直接酿成最惨烈的后果——爆炸。而一同粉碎的,还有各种造价高昂的载荷,甚至危及到人的生命安全。

《科学美国人》(Scientific American)近日与埃利斯一起聊了聊他的 Relativity Space 公司的计划,包括近地轨道中中型卫星的新兴市场,以及该公司对在火星上生产火箭这一产业的长期愿景。

图丨测试台上的 Aeon 1 发动机(来源:Relativity Space)

TE: 这就是我们成立公司的原因。SpaceX 的马斯克曾说:“嘿,我们想去火星,在那里建立一个全新的社会。”多年来在 NASA 的帮助下,他们取得了惊人的成果和进步。但我想说的是,除了 SpaceX 以外没有其他公司站出来为这一目标共同努力。我们认为这需要更多的公司,至少几十个,加入这个计划并为这一长期使命做出贡献。现在的大部分研究似乎都集中在弄清楚如何把人送到火星上,但也需要有人关注如何利用一个非常小的劳动力,在另一个星球上建立一个完整的永久性社会。这就是 Relativity Space 将要关注的问题:如何使用最少的劳动力快速地实现可持续发展和扩张。想想你能在火星上建立什么样的工厂。你当然希望它是轻量级的,具有一个恰到好处的空间,并且在面对不熟悉的环境时,它足够灵活,可以做出各种各样的产品。我刚刚描述的恰恰就是 3D 打印机,这就是我们想要构建的。我们在地球上的工厂里制造火箭和发动机,所做的一切其实都是能够指导我们在火星上做出同样成就的基石。最后,我们想让火箭从火星飞回地球,在火星上的社会需要自给自足必须涉及到商品的生产和出口。如果这种情况真的发生了,它将成为人类历史上一个关键的转折点。当然,在那之前你可以制造其他工业产品来帮助在另一个星球上建立完整社会。在追求这一目标的同时也可以顺便在地球上创造出一个真正了不起的企业。

图丨Tim Ellis(来源:Relativity Space)

SA: 现在能打印得多快?

图丨Jordan Noone(来源:Relativity Space)

TE: 总的来说,我们观察到行业内对大卫星的需求比小型卫星更高,只要你能以低廉的价格建造和飞行就行。随着竞争的加剧,我们看到卫星越来越大——更大的光学部件、更大的传感器和更大的太阳能电池阵列提供了更好的性能。但我们也看到越来越多的由卫星组成的“星座群”在近地轨道上进行通信或地球成像,每一个“星座群”都由几十或数百个、甚至数千个中型航天器组成。这是航天工业巨大变化的一部分:从将近 36000 公里高的地球同步轨道上的非常大的卫星,转变为到飞行高度不到 1000 公里的中型卫星的群组。

“从拿到原材料,到造出一个完整的火箭,中间仅需两个月的时间。”这是一个近乎疯狂的想法。但在航天这个能不断赋予人们想象力的领域里,有这么一群疯狂的人,在以前所未有的方式,拓展着大家的想象力边界。

蒂姆•埃利斯(Tim Ellis),太空发射服务初创公司 Relativity Space 的首席执行官 图片来源:GeekWire

图丨火箭发动机(来源:麻省理工科技评论)

火箭 3D 打印平台“星际之门”的内景 图片来源:SpaceNews

而为了能够打印发动机和火箭,Relativity 还完成了一项“创举”,他们先是开发了号称世界上最大的金属 3D 打印机——Stargate。紧接着,团队为 Stargate 编写代码使大部分进程自动化,并利用机器学习来优化需要打印哪些部件及如何打印。

他们的终极目标是通过在未来的火星殖民地上打印和发射火箭,让人类在多个行星上生活。

Relativity 对未来的图景很清晰,最终要让所有的火箭都将由 3D 打印制造,以节省高昂的人力成本。此外,公司表示很快就能在 60 天内完成打印和迭代设计的过程,相较于行业标准的 18 个月,这也将大大降低成本。“我们有一种感觉,如果我们能 3D 打印 90% 到 95% 的火箭部件,我们的火箭将是颠覆性的,”Ellis 说,“最终,它将成为最便宜的火箭。”

埃利斯与乔丹·诺恩(Jordan Noone)曾在蓝色起源公司(Blue Origin)共事过,这是由亚马逊身家上亿的首席执行官杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)创立的一家火箭公司。2015 年,埃利斯和诺恩一起建立了 Relativity Space。诺恩还在伊隆·马斯克(Elon Musk)的 SpaceX 公司工作过。蓝色起源和 SpaceX 公司都利用 3D 打印技术——也就是添加制造,来为他们的运载火箭建造一些部件和工具,但两者目前都仍然依赖更传统的技术制造火箭的大部分部件。考虑到 3D 打印的组件可以更轻、更强、也更简便,埃利斯和诺恩抓住了这个机会。他们决定利用这个技术来建造符合他们期望的更便宜、更好的火箭,让火箭发射进入轨道的成本更低廉。他们通过设计定制打印头和软件来实现这样颠覆性的梦想。

不过,至少在现阶段,Relativity 还不是将 3D 打印与航天嫁接最成功的案例。新西兰的火箭公司Rocket Lab是 Relativity 竞争者,也是最早进入这一领域的公司之一,在 2006 年就成立了。

对于蒂姆•埃利斯(Tim Ellis),太空发射服务初创公司 Relativity Space 的首席执行官来说,答案很明显:把它打印出来。

这并不会阻挡所有人的野心。做好一个火箭公司很困难,做好一家 3D 打印公司也很困难,做好一家 3D 打印火箭公司,更是难上加难。Relativity 公司 CEO Tim Ellis 在接受《麻省理工科技评论》采访时表示,将这两个领域结合,是这个工作中困难的部分,但这也正是让 Relativity 能够改变世界的秘诀。言语中,Tim Ellis 透露出和马斯克一般的狂人气息。

蒂姆•埃利斯: Relativity Space 的核心任务是创造一个全新的、从根基上更优秀的制造和发射火箭的过程。我们正在努力将火箭设计和生产过程自动化,打印出尽可能多的火箭构造。我们把 3D 打印看作是所有火箭生产和航天制造的未来,因为它减少了对劳动力的需求,并且化繁为简。目前公司正在开发一个将软件、机器学习、冶金和世界上最大的金属 3D 打印机结合在一起的平台,我们称之为“星际之门”。我们目前拥有的专利打印头(printheads)、软件和金属沉积工艺,可以让“星际之门”制作直径 10 英尺,高 20 英尺的部件,而且比传统的 3D 打印机快 20 到 30 倍。现在,它的规模相当于我们在洛杉矶总部的大楼。随着时间的推移,它的硬件和软件将以更快的速度打印更大的东西。

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SA: 看来你需要发射大量的卫星才能保持收支平衡。大多数卫星都低于 1250 公斤,或者更轻,像立方体卫星和其他微型卫星,对吧?这方面的需求怎么满足?

打印一枚便宜又好用的火箭,发射上天;待日后技术成熟,再把“打印机” 带到火星,在火星打印一枚飞回来。这就是火箭初创公司Relativity Space正在做的事情:用3D打印技术制造便宜、可靠的火箭。该公司创始人、年仅 29 岁 Tim Ellis 也因此入选了日前公布的《麻省理工科技评论》2019 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人”榜单。

经过一段时间的隐秘筹备,包括募集了 4000 万美元的风险投资并在洛杉矶建立了占地 20000 平方英尺的设施,Relativity Space 现在正在打印和测试更大的火箭部件。该公司的专利火箭发动机号称只由两部分就能代替由标准工业技术建造的 2,600 个部件。就在上个月,该公司与 NASA 斯坦尼航天中心(NASA Stennis Space Center)签署了一份价值 3000 万美元、长达 20 年的协议,拿到了一个 25 英亩的火箭测试综合设施的独家使用权。从理论上来说,该设施的四个测试站可以让 Relativity Space 按自己的速度制造足够多的引擎,每年可建造 36 枚火箭,而且这种合作关系还允许公司将其在斯坦尼航天中心的占地面积扩大 10 倍。这样的发展多半宜早不宜迟,因为其他公司同样雄心勃勃,计划用成千上万颗新卫星填充近地轨道,进行通信、近地观测和更多的工作。

对于来自业内的质疑声音,Rocket Lab 创始人 Peter Beck 听过很多。他告诉《麻省理工科技评论》,4年前,他在国家太空研讨会(National Space Symposium)首次发布卢瑟福发动机的时候,每个人都看着它说:“这太过分了。”

建造火箭的最好方法是什么?

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航天工业一直带着高精尖的前沿技术光环,但其更多的依旧是保留着浓重的传统制造业风格,不仅需要大量人工的参与,还需要反复地测量校正。在 SpaceX 或蓝色起源这样最为称道的商业航天公司的车间里,着名的梅林发动机和 BE-4 发动机依旧是由员工手动安装。

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当然,鉴于特斯拉自动化生产问题的前车之鉴,总是会有人对火箭生产照搬汽车行业保有质疑的声音。对此,Duschl 认为这两者是完全不同的,“制造业的复杂性取决于零部件的数量、供应链的复杂性以及整体装配的复杂性,而 Relativity从一开始的目标就是减少零件的数量、简化火箭的结构,这将使生产自动化之路走得更为稳妥。”

解决航天业的痛点

但“狂人”的特质,支撑他一路坚持。2018 年 11 月,Rocket Lab 就已完成了“电子号”火箭的首次商业发射。到目前为止,Rocket Lab 已成功发射 7 枚火箭,其中,每枚火箭都配备了 9 台主要使用金属 3D 打印的卢瑟福发动机。该公司也因此在小型卫星发射公司中处于领先地位。

Ellis 正是看到了其中的行业“弊病”和发展机会,他的目标是利用大规模 3D 打印的技术将发动机乃至火箭的制造过程“自动化”。而这也就不难理解为什么在特斯拉负责流程标准化和制造自动化的 Tobias Duschl 会加入 Relativity。

目前,Relativity 正在全力研发Aeon 1火箭引擎,它是一款用于小型火箭的液氧甲烷发动机。这款发动机最突出的不是它的性能,而是它的简约性。Aeon 1 发动机只有 100 个零件,而大多数火箭发动机通常有数千个零件。

有意思的是,Ellis 和 Noone 给他发去的邮件题目里写着:“Space is sexy:3D printing an entire rocket”。

但在 Tim Ellis 看来,这个程度显然是远远不够的。他的目标是最终要让所有的火箭都由 3D 打印制造,“我们的火箭将是颠覆性的,”Ellis 说。

图丨Rocket Lab 创始人Peter Beck(来源:麻省理工科技评论)

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意图改造航天业的狂人

Relativity 已经公开宣布将在 2020 年实现 3D 打印火箭的首次飞行,并在 2021 年开始进行商业发射,且公司计划年发射次数将以每年 12 到 24 次的速度增加。目前,加拿大通信公司 Telesat、华盛顿的 Spaceflight 以及泰国的mu Space 三家公司已经与 Relativity 签署了商业发射订单,在 2021 年至 2022 年之间完成发射。要知道,Relativity 创立至今不足 5 年,这样的时间安排可谓是“火箭”速度。

2015年,SpaceX 在经历了早期的不断挫折后,已经完成了猎鹰火箭的发射和回收,在商业发射市场上站稳了脚跟。那一年,Tim Ellis 和 Jordan Noone 分别从蓝色起源和 SpaceX 出走,创立了 Relativity Space,也想和他们的前老板马斯克和贝索斯一样,在商业航天的历史上留下自己的名字。除此之外,Ellis 和 Noone 都痴迷于 3D 打印技术,并认为这项技术没有在蓝色起源与 SpaceX 这两家航天领域最前沿的公司中得到充分利用 。

编辑:材料科技 本文来源:全球首枚3D打印火箭最早2021年发射 60天可以造一

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