3D打印火箭發(fā)動機(jī)真被做出來了！首次地面全周期點火實測成功

賈浩楠 2020-11-18 14:12:16 來源：量子位

賈浩楠 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

6200萬美元，這是馬斯克透露的獵鷹9火箭單次任務(wù)報價。

這個價格，已經(jīng)讓業(yè)內(nèi)驚呼「白菜價」了。

但另一家商業(yè)航天公司給出報價甚至不到它的五分之一！

這種真正「白菜價」的火箭，由Relativity Space開發(fā)生產(chǎn)，并且是3D打印的。

最近這一型火箭剛剛完成首次發(fā)動機(jī)地面點火試運行實驗。

「全周期」點火實驗

Relativity Space這次進(jìn)行地面點火試運行測試的火箭發(fā)動機(jī)型號為Aeon 1，采用甲烷和液氧作為動力，單個發(fā)動機(jī)最大推力23000磅（10.43噸）。

而美東時間11月9日完成的地面點火實驗，稱作全周期實驗，意思就是一級發(fā)動機(jī)從點火到分離的整個工作過程，一般幾分鐘左右。

在NASA的Stennis航天中心進(jìn)行這次測試，是在發(fā)動機(jī)的所有關(guān)鍵部件（包括渦輪泵，噴射器和燃燒室）模擬實際發(fā)射任務(wù)條件的情況下進(jìn)行的。

Aeon 1從開機(jī)到結(jié)束總共187秒，首次完成全周期實驗，這說明這款發(fā)動機(jī)的工作性能得到初步驗證。

而從今年2月開始，Relativity Space對Aeon 1進(jìn)行了頻繁的點火測試，共有300多次，持續(xù)時間從幾秒到幾十秒。

這次的全周期點火實驗成功，說明Aeon 1已經(jīng)真正具備商用潛力，它可能成為全球第一款投入商用的3D打印火箭發(fā)動機(jī)。

價格低、生產(chǎn)周期快是3D打印火箭發(fā)動機(jī)最重要的特點，也是最吸引客戶的地方。

與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機(jī)相比，3D打印出來的，具體有哪些特殊之處呢？

「打印」一臺火箭發(fā)動機(jī)

據(jù)Relativity Space公司負(fù)責(zé)人介紹，3D打印技術(shù)可以一次成型制作零件，這使得生產(chǎn)一臺發(fā)動機(jī)的周期和工序都大大減少。

目前一臺Aeon 1有三個大的部件，總共100多個零件，平均制造周期只有一個月。

傳統(tǒng)火箭一般都有幾千個零部件，生產(chǎn)周期至少需要六個月左右，這其中大部分時間要花在供應(yīng)鏈訂購不同產(chǎn)品上。

相比之下，Relativity Space的3D打印工廠將傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈縮短為一站式制造方式。

「打印機(jī)」本身，是Relativity Space自己開發(fā)的Stargate3D打印機(jī)。

Stargate配備了多臺激光Kuka機(jī)器人手臂和打印頭，提高3D打印速度。同時，Stargate還有機(jī)器學(xué)習(xí)算法加持，能夠不斷提高打印精度。

如何使用金屬材料進(jìn)行3D打印

與我們平常生活中常見的樹脂等軟性材料3D打印不同，以金屬作為材料的Stargate3D打印機(jī)，采用的是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的原理和選擇性激光熔化相同，兩者都是同一概念的不同實例。

工作時，打印機(jī)使用高功率激光器將材料粉末融化燒結(jié)，并堆放在定義好的三維空間點，創(chuàng)建預(yù)設(shè)的固體結(jié)構(gòu)。

具體來說，激光通過掃描粉零件的三維數(shù)字描述（例如來自CAD文件或掃描數(shù)據(jù)）生成的橫截面，來選擇性地熔化粉末材料，將其堆放至粉末床上。

每完成一個截面，粉末床會降低一層厚度，以便在上面涂抹新的材料。

△圖片來自Wikipedia

由于成品零件密度取決于激光峰值功率，而不是激光持續(xù)時間，所以機(jī)器通常使用脈沖激光作業(yè)。SLS機(jī)器將粉床中的散裝粉末材料預(yù)熱到略低于其熔點的位置，以便于激光將選定區(qū)域的溫度提高到熔點的其余部分

與其他一些快速成型制造工藝（如立體光刻SLA）相比，激光燒結(jié)不需要給進(jìn)料器安裝支撐結(jié)構(gòu)，所以能夠構(gòu)造出許多傳統(tǒng)工藝無法完成的幾何形狀。

但激光燒結(jié)技術(shù)也有自身的難點，比如一臺普通的打印機(jī)功率消耗就高達(dá)5千瓦。并且作業(yè)時的預(yù)熱、熔化和存儲三個階段的溫度誤差必須控制在2℃以內(nèi)。

所以對于普通玩家來說，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是一個昂貴的玩具，但對于航天制造業(yè)來說，它的成本仍然是前所未有的低廉。

好火箭，白菜價，不到獵鷹9的五分之一

打印火箭發(fā)動機(jī)，只是Relativity Space商業(yè)航天計劃的一個環(huán)節(jié)。

2021年，Relativity Space會進(jìn)行首次火箭發(fā)射，而執(zhí)行任務(wù)的火箭，也是3D打印出來的。

Relativity Space自行設(shè)計的這款火箭名叫Terran，第一級安裝9臺Aeon 1發(fā)動機(jī)，第二級安裝一臺Aeon 1發(fā)動機(jī)。

Terran火箭可以將1250千克的有效載荷運送至低地球軌道，如果500km高度的太陽同步軌道任務(wù)，Terran火箭的有效載荷會下降到900千克。

Terran的整流罩直徑為3米，是SpaceX Falcon 9火箭整流罩的一半多一點，是小型火箭制造商Rocket Lab的Electron火箭整流罩的三倍。

Relativity Space官網(wǎng)給出的單次商業(yè)發(fā)射報價為1200萬美元，而CEO在接受外媒采訪時透露單次發(fā)射的成本為1000萬美元。

之前馬斯克曾透露過，SpaceX的獵鷹9火箭單次發(fā)射報價6200萬美元，利潤超過30%，一次發(fā)射的成本4340萬美元。

但1200萬美元的Terran才是真正「白菜價」火箭。

當(dāng)然，獵鷹9屬于重型火箭，跟Terran不是一個級別，運載能力也差很多。

但這樣的尺寸在成本和運載性能上取了一個平衡點，能夠滿足很多類型客戶的需求。

比如Terran可以單次只發(fā)射一顆衛(wèi)星。對于有這樣需求的客戶來說，如果選擇獵鷹9，可能不得不「拼單」，多了不可控因素。

其實，Relativity Space已經(jīng)和銥星公司、北美電信運營商Telesat、NASA等等簽下了商業(yè)訂單。

Relativity Space的CEO在接受外媒采訪時說，目前Relativity Space是除了SpaceX之外，接受預(yù)訂單最多的商業(yè)航天公司。

明年的第一次任務(wù)，Terran不會帶任何商業(yè)訂單，僅作為一次實驗和演示。一旦首次發(fā)射順利，明年年內(nèi)就會開始正式商業(yè)運營。

90后創(chuàng)始人

Relativity Space的兩名創(chuàng)始人，分別從SpaceX和藍(lán)色起源走出。

聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEOTim Ellis，1990年出生。于2011年進(jìn)入藍(lán)色起源，主要負(fù)責(zé)火箭推進(jìn)系統(tǒng)和渦輪機(jī)械方面的工作，他擁有南加州大學(xué)航空航天工程碩士學(xué)位。

另外一位聯(lián)合創(chuàng)始人，Jordan Noone目前擔(dān)任CTO職位，他曾是藍(lán)色起源動力系統(tǒng)實習(xí)生，而后于2014年進(jìn)入SpaceX，并參與龍飛船的SuperDraco 推進(jìn)器項目。

在2015年，他們分別離開SpaceX和藍(lán)色起源后，創(chuàng)立了Relativity Space。公司團(tuán)隊的其他成員也有維珍銀河、波音等航空航天公司的工作經(jīng)驗。