全3D打印火箭升空在即,它將如何改變航空航天業?
隨著越來越多的商用3D打印機被證明能夠生產出符合太空價值的組件,新興火箭製造商的數量即將出現激增。
當地時間6月30日,Relativity Space宣佈與全球空基通信公司OneWeb簽署了一份多年期、多次發射的發射服務協議,其報價高達12億美元。而不久後,前者製造的全3D打印火箭即將升空。
如果今年夏天Terran 1在卡納維拉爾角 (Cape Canaveral) 成功發射,Relativity Space將成為第一家將全3D打印火箭送入太空的航空航天製造公司。在那之後,加州一家名為Launcher的初創公司將在SpaceX的幫助下,於太空部署由3D打印火箭引擎驅動的軌道飛行器衛星平台。
3D打印——也被稱為增材製造——對航空航天工業的影響怎麼估計都不為過。沒有任何其他技術能夠讓如此多的公司進入這個行業,並在如此短的時間內以如此低的成本交付車輛、發動機和火箭等產品。現在,隨著越來越多的商用3D打印機被證明能夠生產出符合太空價值的組件,新興火箭製造商的數量即將激增。
Relativity Space 3D打印火箭(第一階段)被運入LC-16機庫,圖源:Trevor Mahlmann / Relativity Space
例如,總部位於英國的航空航天公司Orbex希望其3D打印火箭能在今年年底前在蘇格蘭升空,而該公司使用了德國製造商EOS最新的金屬3D打印機;在美國,年輕的火箭發動機製造商Ursa Major正在接收新的Arroway推進引擎訂單,該引擎旨在取代目前無法獲得的、由俄羅斯製造的發動機,且也是用現有的金屬3D打印機製造的。
“如果沒有3D打印,我們公司就不會存在。”曾在SpaceX工作了5年的Ursa Major先進製造和材料總監Jake Bowles說,“我們的發展與3D打印的存在和成熟密切相關。”
Jake Bowles說,Ursa Major計劃以更快的速度將發動機推向市場。若想將製造時間從幾年縮減為幾個月,便只有通過3D打印機才有可能實現。
雖然Relativity Space和其他公司已經為自己的火箭開發了專有的3D打印技術,但使用新的商業3D打印機能使Ursa Major控制成本,並快速迭代設計。
Jake Bowles表示:“我們的團隊一直在評估新3D打印機公司推出的創新,因為在航空航天和航天發射市場上有太多競爭了。”根據Strategic Market Research的預測,到2030年,全球的航空航天3D打印市場規模將達到92.7億美元。
各家公司都在競相為亞馬遜等公司提供最強大、最靈活、最廉價的選擇,因為後者希望將衛星送入軌道,以提供全球性的寬帶服務、捕捉地球活動的高分辨率圖像,甚至為超級富豪建立私人空間站酒店。
與美國宇航局 (NASA) 的航天飛機項目相比,增材製造技術可將發射成本降低95%,這為更多的軌道服務打開了大門,並推動了火箭製造商之間的激烈競爭,而Launcher的公司標語讀起來就像是沃爾瑪的廣告:“以最低成本進入太空的任何地方。”
最近,Launcher獲得了來自美國太空部隊 (U.S. Space Force) 的資金,以進一步開發用於發射Launcher Light運載工具的E-2——這是一款3D打印的高性能液體火箭發動機,計劃在2024年投入使用。美國太空部隊表示,“E-2有可能大幅降低通過專用小型運載火箭將小型衛星送入軌道的價格,對我們來說,這是一個關鍵能力和優先事項。”
為了降低成本和加快生產速度,Launcher還使用了EOS和加州公司Velo3D的3D打印機。
Launcher E-2火箭發動機的燃燒室全部是在EOS的AMCM打印機上用銅合金3D打印的,而噴射器的打印則由Velo3D的Sapphire打印機完成。圖源:Launcher
Launcher的創始人兼CEO Max Haot說:“火箭發動機中的渦輪泵部件通常需要經過鑄造、鍛造和銲接,而這些工藝過程所需的模具增加了開發成本,並降低了設計迭代中的靈活性。得益於Velo3D的零度技術,我們可以用3D打印來製造渦輪泵,包括旋轉的Inconel閉式葉輪,這令成本變得更低,並能通過每個原型之間的迭代來增加創新。”
另一位曾在SpaceX任職的資深人士、Ursa Major的高級推進分析師Eduardo Rondon表示,按照傳統的航空航天製造方法,製造和測試模具就需要9至12個月的准備時間,以及巨額費用。“增材製造使我們可以在試驗台上放置一種新的設計,並快速對其做出修改和打印,然後幾周內就推出產品。”
自SpaceX在2013年推出其3D打印的SuperDraco火箭引擎以來,3D打印在太空行業中已經歷了一段不短的歷史。
2017年,航空航天巨頭Aerojet Rocketdyne重新設計了其Bantam火箭發動機系列,通過充分利用增材製造能力,將總的設計和製造時間從一年多減少到幾個月,而且與傳統製造方法相比,其成本降低了約65%。
該公司表示:“這些發動機通常由100多個部件組成,但用增材製造的話只有三個主要部件:噴射器總成、燃燒室,以及一個龐大而單一的喉道和噴嘴部分。”
Rocket Lab是另一個商業衛星發射的先驅,其在2017年首次發射了自己的輕型3D打印火箭發動機Rutherford。它的燃燒室、噴射器、泵和主推進劑閥門都是3D打印的,而且已經參與了27次發射,包括本週的一次。
盡管NASA和經驗豐富的火箭發射公司已將增材製造技術融入他們的項目多年,但當今的商業3D打印技術和先進的金屬合金材料正迅速變得成熟,像Launcher、Ursa Major和Orbex這樣的公司可以用更少的時間和成本來完成從原型到發射的過程。
“我們一直在圍繞著3D打印開展設計工作。”Jake Bowles說,“這能夠讓我們建立起關於優化3D打印設計的內部know-how,然後我們就可以將其應用於需要開發和銷售的新引擎,以滿足市場需求,這也讓我們可以更快地進入市場。”
本文來自微信公眾號 “福布斯”(ID:forbes_china),作者:Carolyn Schwaar,36氪經授權發布。
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