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

贾浩楠 2020-11-18 14:12:16 来源：量子位

贾浩楠 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

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。

目前一台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。