3D打印火箭發動機真被做出來了！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火箭單次任務報價。

這個價格，已經讓業內驚呼「白菜價」了。

但另一家商業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開發生產，并且是3D打印的。

最近這一型火箭剛剛完成首次發動機地面點火試運行實驗。

「全周期」點火實驗

Relativity Space這次進行地面點火試運行測試的火箭發動機型號為Aeon 1，采用甲烷和液氧作為動力，單個發動機最大推力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，意思就是一級發動機從點火到分離的整個工作過程，一般幾分鐘左右。

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

Aeon 1從開機到結束總共187秒，首次完成全周期實驗，這說明這款發動機的工作性能得到初步驗證。

而從今年2月開始，Relativity Space對Aeon 1進行了頻繁的點火測試，共有300多次，持續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打印火箭發動機。

價格低、生產周期快是3D打印火箭發動機最重要的特點，也是最吸引客戶的地方。

與傳統火箭發動機相比，3D打印出來的，具體有哪些特殊之處呢？

「打印」一臺火箭發動機

據Relativity Space公司負責人介紹，3D打印技術可以一次成型制作零件，這使得生產一臺發動機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。

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

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

「打印機」本身，是Relativity Space自己開發的Stargate3D打印機。

Stargate配備了多臺激光Kuka機器人手臂和打印頭，提高3D打印速度。同時，Stargate還有機器學習算法加持，能夠不斷提高打印精度。

如何使用金屬材料進行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，采用的是選擇性激光燒結技術。

選擇性激光燒結技術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，打印機使用高功率激光器將材料粉末融化燒結，并堆放在定義好的三維空間點，創建預設的固體結構。

具體來說，激光通過掃描粉零件的三維數字描述（例如來自CAD文件或掃描數據）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，而不是激光持續時間，所以機器通常使用脈沖激光作業。SLS機器將粉床中的散裝粉末材料預熱到略低于其熔點的位置，以便于激光將選定區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，激光燒結不需要給進料器安裝支撐結構，所以能夠構造出許多傳統工藝無法完成的幾何形狀。

但激光燒結技術也有自身的難點，比如一臺普通的打印機功率消耗就高達5千瓦。并且作業時的預熱、熔化和存儲三個階段的溫度誤差必須控制在2℃以內。

所以對于普通玩家來說，選擇性激光燒結技術是一個昂貴的玩具，但對于航天制造業來說，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

打印火箭發動機，只是Relativity Space商業航天計劃的一個環節。

2021年，Relativity Space會進行首次火箭發射，而執行任務的火箭，也是3D打印出來的。

Relativity Space自行設計的這款火箭名叫Terran，第一級安裝9臺Aeon 1發動機，第二級安裝一臺Aeon 1發動機。

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，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官網給出的單次商業發射報價為1200萬美元，而CEO在接受外媒采訪時透露單次發射的成本為1000萬美元。

之前馬斯克曾透露過，SpaceX的獵鷹9火箭單次發射報價6200萬美元，利潤超過30%，一次發射的成本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可以單次只發射一顆衛星。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已經和銥星公司、北美電信運營商Telesat、NASA等等簽下了商業訂單。

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

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

90后創始人

Relativity Space的兩名創始人，分別從SpaceX和藍色起源走出。

聯合創始人兼CEOTim Ellis，1990年出生。于2011年進入藍色起源，主要負責火箭推進系統和渦輪機械方面的工作，他擁有南加州大學航空航天工程碩士學位。

另外一位聯合創始人，Jordan Noone目前擔任CTO職位，他曾是藍色起源動力系統實習生，而后于2014年進入SpaceX，并參與龍飛船的SuperDraco 推進器項目。

在2015年，他們分別離開SpaceX和藍色起源后，創立了Relativity Space。公司團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驗。