讓火箭零件減少100倍，看Relativity Space 如何用3D打印機(jī)造火箭

導(dǎo)讀：昨天，南極熊整理了一篇關(guān)于國(guó)內(nèi)商業(yè)航天公司紛紛使用3D打印技術(shù)來(lái)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件的文章，有讀者留言讓關(guān)注一下Relativity Space這家公司，實(shí)際上南極熊之前也多次報(bào)道過(guò)這家公司如何使用3D打印技術(shù)來(lái)制造火箭的。他們?cè)诨鸺�上使�?D打印技術(shù)更加深入，甚至已經(jīng)發(fā)射過(guò)“全3D打印”的火箭。

本文我們就來(lái)進(jìn)一步回顧一下，Relativity Space 是如何使用3D打印技術(shù)來(lái)制造火箭的，僅供參考。

△Relativity Space開(kāi)發(fā)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)引擎

△視頻講解Relativity Space如何3D打印火箭

首枚3D打印火箭發(fā)射“失敗”但也算成功

2023年3月23日，世界上首枚3D打印火箭在第三次嘗試發(fā)射中取得了一定的成功，但在第二級(jí)點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)異常未能進(jìn)入軌道。雖然這次發(fā)射“失敗”，但仍然是3D打印火箭的一大進(jìn)步，因?yàn)榇饲安�沒(méi)有人這樣做。

△一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)階段，火箭時(shí)速達(dá)到7000KM/H以上

此次發(fā)射的“3D打印火箭”名為T(mén)erran 1 ，由Relativity Space公司研發(fā)，由于這次是發(fā)射試驗(yàn)，因此火箭上沒(méi)有裝載衛(wèi)星等產(chǎn)品，只有一些打印失敗的零件。火箭高 33米，寬 2.3米，這是一款兩級(jí)一次性火箭，第一級(jí)有九個(gè)3D 打印的發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。所有發(fā)動(dòng)機(jī)都是完全 3D 打印的，并使用液態(tài)氧和液態(tài)天然氣作為燃料 。

Terran 1系列火箭是一款幾乎完全是通過(guò)3D打印技術(shù)打造的火箭，這意味著整個(gè)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)的幾乎所有部件都是通過(guò)自研的DED 金屬3D打印機(jī)或金屬PBF 3D打印機(jī)打印的。據(jù)悉，公司擁有三臺(tái)大型 EOS M400 系統(tǒng)、四臺(tái) Velo3D Sapphire系統(tǒng)和內(nèi)部開(kāi)發(fā)的巨型 Stargate 金屬 DED 系統(tǒng)。

△DED 技術(shù)3D打印火箭金屬部件

△Relativity Space 總部的DED 3D 打印機(jī)

△Relativity Space 工廠內(nèi)的PBF 金屬3D打印機(jī)

△Relativity Space 工廠內(nèi)的大型DED 3D打印機(jī)

自研大型DED 金屬3D打印機(jī)

為了3D打印火箭零部件，Relativity Space 自研了DED 金屬3D打印機(jī)，這種設(shè)備適合打印大型的金屬零部件。2022年10月，Relativity Space推出了其星際之門(mén)（Stargate）3D打印機(jī)的第四代版本。四代版本打印速度相較三代版本提升了7倍！還能生產(chǎn)長(zhǎng)達(dá)36.6m、寬7m的部件！其產(chǎn)能比三代高出55倍！

據(jù)Relativity Space稱，第四代系統(tǒng) "打破了傳統(tǒng)的打印限制"，它可以水平制造，將多條線送入一個(gè)打印頭。公司正在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)Terran R的部件，這是一款即將開(kāi)發(fā)完成的火箭，將能夠向低地球軌道（LEO）發(fā)射多達(dá)20,000公斤的貨物。

Relativity Space 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO 蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）說(shuō)："未來(lái)航空航天領(lǐng)域的大型裝備將不可避免地采用3D打印技術(shù)。產(chǎn)品越輕，性能越好，當(dāng)使用3D打印制造飛行產(chǎn)品時(shí)，每一次連續(xù)的改進(jìn)也會(huì)使其生產(chǎn)速度更快，成本更低。目前我們?nèi)蕴幱诖蛴〖夹g(shù)開(kāi)發(fā)部件的早期階段，其技術(shù)迭代的可能性依然很高。"

說(shuō)到打印質(zhì)量，新的 "星際之門(mén) "具有先進(jìn)的遙感技術(shù)，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、傳感器和遙測(cè)技術(shù)來(lái)解鎖實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控。打印機(jī)的軟件借鑒了機(jī)器學(xué)習(xí)方法，允許創(chuàng)建更復(fù)雜和更大的金屬零件。

第四代DED 3D打印機(jī)將成為制造 "Terran "R的主要生產(chǎn)工具，這種方式能夠從根本上減少零件數(shù)量。此外，火箭還將使用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的獨(dú)特材料，據(jù)說(shuō)這種材料更輕，加工速度更快，從而釋放出下游的成本節(jié)約。

在未來(lái)的幾年里，新的 "星際之門(mén) "系統(tǒng)將極大地改變供應(yīng)鏈，因?yàn)樗�能在幾個(gè)月內(nèi)用少100倍的零件生產(chǎn)火箭。因此，最新系統(tǒng)能夠加速航空航天領(lǐng)域的進(jìn)步和創(chuàng)新，同時(shí)也能在利潤(rùn)豐厚的航空、能源和國(guó)防領(lǐng)域有所收獲。

△左圖：Terran1火箭  右圖：具有20倍有效載荷能力的Terran R火箭

蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）補(bǔ)充說(shuō)："星際之門(mén) 3D 打印機(jī)為大規(guī)模制造產(chǎn)品的創(chuàng)新提供了機(jī)會(huì)。由于高度適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和自動(dòng)化過(guò)程，通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)的制造，傳統(tǒng)的航空航天和空間制造商需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和建造的產(chǎn)品將被減少到幾個(gè)月。我們認(rèn)為3D打印是一種自動(dòng)化技術(shù)，有能力改變制造業(yè)的創(chuàng)新步伐，這就是為什么我們從第一天起就投資建立我們自己的專有技術(shù)庫(kù)。"

創(chuàng)始人蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）并不是第一個(gè)想到 3D 打印整個(gè)火箭的人，當(dāng)時(shí)3D 打印部件已經(jīng)在 NASA 火箭上使用了，但他們決心將制造火箭的成本從幾億降至幾百萬(wàn)，并保持這樣的初心進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)。此次研發(fā)的增材制造平臺(tái)是一臺(tái)大型3D打印機(jī)，可以在不到 60 天的時(shí)間內(nèi)制造出零件數(shù)量減少十分之一的火箭。此3D打印機(jī)使用多個(gè)安裝了激光器的Kuka機(jī)械臂，并將鋁金屬線送入激光器的焦點(diǎn)，可以對(duì)組件進(jìn)行 3D 打印。為了在打印過(guò)程中熔化和融合材料，Stargate 使用了高功率激光和等離子弧技術(shù)。

2024年6月，從Relativity Space 發(fā)布的最新視頻中可以看到，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始了長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的測(cè)試 Aeon R 發(fā)動(dòng)機(jī)，以 100% 的功率點(diǎn)火 180 秒，這是 Terran R 第一級(jí)飛行的最大持續(xù)時(shí)間加上余量。

值得學(xué)習(xí)