3D打印火箭发动机真被做出来了!首次地面全周期点火实测成功

三的部落 3D部落


6200万美元,这是马斯克透露的猎鹰9火箭单次任务报价。


这个价格,已经让业内惊呼「白菜价」了。


但另一家商业航天公司给出报价甚至不到它的五分之一!


这种真正「白菜价」的火箭,由Relativity Space开发生产,并且是3D打印的。


最近这一型火箭刚刚完成首次发动机地面点火试运行实验。




「全周期」点火实验


Relativity Space这次进行地面点火试运行测试的火箭发动机型号为Aeon 1,采用甲烷和液氧作为动力,单个发动机最大推力23000磅(10.43吨)。



而美东时间11月9日完成的地面点火实验,称作全周期实验,意思就是一级发动机从点火到分离的整个工作过程,一般几分钟左右。


在NASA的Stennis航天中心进行这次测试,是在发动机的所有关键部件(包括涡轮泵,喷射器和燃烧室)模拟实际发射任务条件的情况下进行的。





Aeon 1从开机到结束总共187秒,首次完成全周期实验,这说明这款发动机的工作性能得到初步验证。


而从今年2月开始,Relativity Space对Aeon 1进行了频繁的点火测试,共有300多次,持续时间从几秒到几十秒。




这次的全周期点火实验成功,说明Aeon 1已经真正具备商用潜力,它可能成为全球第一款投入商用的3D打印火箭发动机。


价格低、生产周期快是3D打印火箭发动机最重要的特点,也是最吸引客户的地方。


与传统火箭发动机相比,3D打印出来的,具体有哪些特殊之处呢?


「打印」一台火箭发动机


据Relativity Space公司负责人介绍,3D打印技术可以一次成型制作零件,这使得生产一台发动机的周期和工序都大大减少。




一台Aeon 1有三个大的部件,总共100多个零件,平均制造周期只有一个月。


传统火箭一般都有几千个零部件,生产周期至少需要六个月左右,这其中大部分时间要花在供应链订购不同产品上。


相比之下,Relativity Space的3D打印工厂将传统的供应链缩短为一站式制造方式。


「打印机」本身,是Relativity Space自己开发的Stargate3D打印机。




Stargate配备了多台激光Kuka机器人手臂和打印头,提高3D打印速度。同时,Stargate还有机器学习算法加持,能够不断提高打印精度。


如何使用金属材料进行3D打印


与我们平常生活中常见的树脂等软性材料3D打印不同,以金属作为材料的Stargate3D打印机,采用的是选择性激光烧结技术。

选择性激光烧结技术的原理和选择性激光熔化相同,两者都是同一概念的不同实例。


工作时,打印机使用高功率激光器将材料粉末融化烧结,并堆放在定义好的三维空间点,创建预设的固体结构。


具体来说,激光通过扫描粉零件的三维数字描述(例如来自CAD文件或扫描数据)生成的横截面,来选择性地熔化粉末材料,将其堆放至粉末床上。


每完成一个截面,粉末床会降低一层厚度,以便在上面涂抹新的材料。


△图片来自Wikipedia


由于成品零件密度取决于激光峰值功率,而不是激光持续时间,所以机器通常使用脉冲激光作业。SLS机器将粉床中的散装粉末材料预热到略低于其熔点的位置,以便于激光将选定区域的温度提高到熔点的其余部分


与其他一些快速成型制造工艺(如立体光刻SLA)相比,激光烧结不需要给进料器安装支撑结构,所以能够构造出许多传统工艺无法完成的几何形状。


但激光烧结技术也有自身的难点,比如一台普通的打印机功率消耗就高达5千瓦。并且作业时的预热、熔化和存储三个阶段的温度误差必须控制在2℃以内。


所以对于普通玩家来说,选择性激光烧结技术是一个昂贵的玩具,但对于航天制造业来说,它的成本仍然是前所未有的低廉。


好火箭,白菜价,不到猎鹰9的五分之一


打印火箭发动机,只是Relativity Space商业航天计划的一个环节。


2021年,Relativity Space会进行首次火箭发射,而执行任务的火箭,也是3D打印出来的。


Relativity Space自行设计的这款火箭名叫Terran,第一级安装9台Aeon 1发动机,第二级安装一台Aeon 1发动机。


Terran火箭可以将1250千克的有效载荷运送至低地球轨道,如果500km高度的太阳同步轨道任务,Terran火箭的有效载荷会下降到900千克。


Terran的整流罩直径为3米,是SpaceX Falcon 9火箭整流罩的一半多一点,是小型火箭制造商Rocket Lab的Electron火箭整流罩的三倍。


Relativity Space官网给出的单次商业发射报价为1200万美元,而CEO在接受外媒采访时透露单次发射的成本为1000万美元。


之前马斯克曾透露过,SpaceX的猎鹰9火箭单次发射报价6200万美元,利润超过30%,一次发射的成本4340万美元。


但1200万美元的Terran才是真正「白菜价」火箭。


当然,猎鹰9属于重型火箭,跟Terran不是一个级别,运载能力也差很多。


但这样的尺寸在成本和运载性能上取了一个平衡点,能够满足很多类型客户的需求。


比如Terran可以单次只发射一颗卫星。对于有这样需求的客户来说,如果选择猎鹰9,可能不得不「拼单」,多了不可控因素。


其实,Relativity Space已经和铱星公司、北美电信运营商Telesat、NASA等等签下了商业订单。


Relativity Space的CEO在接受外媒采访时说,目前Relativity Space是除了SpaceX之外,接受预订单最多的商业航天公司。


明年的第一次任务,Terran不会带任何商业订单,仅作为一次实验和演示。一旦首次发射顺利,明年年内就会开始正式商业运营。


90后创始人


Relativity Space的两名创始人,分别从SpaceX和蓝色起源走出。


联合创始人兼CEOTim Ellis,1990年出生。于2011年进入蓝色起源,主要负责火箭推进系统和涡轮机械方面的工作,他拥有南加州大学航空航天工程硕士学位。


另外一位联合创始人,Jordan Noone目前担任CTO职位,他曾是蓝色起源动力系统实习生,而后于2014年进入SpaceX,并参与龙飞船的SuperDraco 推进器项目。



在2015年,他们分别离开SpaceX和蓝色起源后,创立了Relativity Space。公司团队的其他成员也有维珍银河、波音等航空航天公司的工作经验。(来源:量子位  如有侵权,请及时联系删除)