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

三的部落 3D部落


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。




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。(來源:量子位  如有侵權,請及時聯系刪除)


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