Ar pasauliui reikia 3D spausdintos raketos?

3D spausdintos raketos gabalo vaizdas Damonas Casarezas

Kadaise buvo nesugadintos baltos grindys Reliatyvumo erdvė PR nuotraukos dabar yra subraižytos ir padengtos tipiško mašinų dirbtuvės likučiais. Jos sandėlyje Los Andželo pakraštyje trys roboto rankos įspūdingai kabo šalia konteinerio, pripildyto metalinės vielos ritės. Talpyklos dangtis turi dantytą skylę, tarsi kas nors prastą dieną būtų permuštas; lipnia juosta buvo užklijuota, kad uždengtų aštrius kraštus. Tai mašina, kuri buvo išstumta iki savo galimybių ir tarnauja aukštam tikslui. Vadovaujama savo įkūrėjų Tim Ellis ir Jordan Noone, Relativity bando sukurti 95% savo raketos Terran 1 naudodama 3D spausdinimą tik per 60 dienų.

Jūs perskaitėte teisingai: planas yra per du mėnesius nuo žaliavos pereiti prie paleisti paruoštos raketos. Jei tai skamba įžūliai, tai todėl, kad taip yra. Labai. 3D spausdinimas išgyvena akimirką kosminių skrydžių pramonėje – visi nuo SpaceX iki „Blue Origin“ iki mažiau žinomų startuolių ir senų laikų raketų parduotuvių imasi technologijų, o kai kurie nuėjo taip toli, kad spausdina savo variklius nuo nulio. Tačiau net 3D spausdinimo raketų pažangiausius inžinieriai nežino, ką daryti su „Ellis and Noone“ įmone. Ir ne vienas mano, kad jie tiesiog pamišę.

Ši istorija buvo mūsų 2019 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tradiciškai aviacijos ir kosmoso pramonė nebuvo greita keistis ir dėl geros priežasties: raketos yra kontroliuojami sprogimai, dėl kurių kyla didžiulės pinigų sumos, o kartais ir žmonių gyvybės. Reliatyvumas siekia nugalėti skeptikus ir priešininkus bandomuoju paleidimu 2020 m. Reikalas tas, kad jie dar net neišspausdino visos raketos.

Iš esmės raketos susideda iš keturių pagrindinių sistemų: naudingosios apkrovos, nukreipimo, varymo ir konstrukcijų. Naudingoji apkrova yra bet kokia, kurią neša raketa. Nurodymą sudaro jutikliai, kurie palaiko laivą taikinyje, o varomąją jėgą sudaro degalai ir variklis, dėl kurių jis skrieja. Konstrukcijos yra likęs raketos rėmas, kūgis ir pelekai – dalys, kurios paprastai gaminamos naudojant itin tikslias CNC frezavimo stakles ir rankinį suvirinimą.

Tai yra būdas pasakyti, kad už kiekvieno sėkmingo paleidimo slypi didžiulis darbo jėgos kiekis ir didžiulis tiekėjų tinklas, kuris kartu surenka kiekvieną transporto priemonę. Supaprastindama tiekimo grandinę, „Relativity“ tikisi smarkiai sutrumpinti gamybos laiką.

Tačiau šis tikslas spausdinti daugiau nei 100 pėdų (30 metrų) Terran 1 išorę ir degalų baką yra susijęs su papildomu iššūkiu: sukurti spausdintuvus, galinčius atlikti šią užduotį. Sukurti raketų kompaniją sunku, sukurti 3D spausdinimo įmonę sunku, o kurti abu kartu vienu metu yra ribiniai riešutai, sako Ellisas, „Relativity“ generalinis direktorius. Tačiau nors tai yra sunkiausia darbo dalis, tai taip pat yra slaptas padažas, dėl kurio „Relativity“ taps pasaulį keičiančia įmone.

Jei „Terran I“ ketina patekti į kosmosą, jo 11 pėdų aukščio kuro bakas turi veikti kaip svajonė. Damonas Casarezas

Vis dėlto dar reikia nueiti iki bet kokio pasaulio pakeitimo. Mes neskraidinsime raketos, nebent sukursime šias metalo 3D spausdinimo technologijas, pripažįsta Ellisas. Taigi tai suteikia nemažai egzistencinio smūgio į užpakalį, kad tai išsiaiškintume, nes tik taip mes iš tikrųjų pasieksime savo tikslą.

Žvaigždžių vartų vaikai

Vienišas 20 pėdų aukščio „Relativity“ spausdintuvas „Stargate“ tarnauja įmonei nuo tada, kai 2017 m. ji išjungė slaptą režimą, tačiau pagaliau netrukus sulauks pertraukos. Netoliese esančiame pastate yra keturi atnaujinti, švieži modeliai. Kiekvienas iš jų yra apsaugotas ilgais juodais atvartais, kurie eina nuo sandėlio lubų iki grindų ir išduoda savo naujumą aštriu plastiko kvapu. Ant vieno kabo mažas žaislinis krepšinio lankas – tarsi iki šiol jis dažniau tarnavo kaip užpakalinė lenta, o ne kaip raketų spausdintuvas.

Milžiniškas vaizdas, išlietas per sieną, vaizduoja tikėtiną įmonės ateities viziją: sandėlį, kuriame yra tik žvaigždžių vartai, mažesni spausdintuvai ir robotų rankos. Inžinieriaus rojus ir mašinisto košmaras. Būtent robotai mūsų darbų antraštes užima freskos pavidalu.

Atrodo, kad stambios mašinos šypteli iš dešimtmečius trukusios raketų surinkimo. Apollo programos metu inžinieriai susidūrė su dideliais sunkumais siekdami tobulų Saturno raketų serijos suvirinimo siūlių. Net patyrę suvirintojai turėjo būti specialiai apmokyti, kad galėtų atlikti ilgus ir tikslius reikalingus suvirinimo praėjimus. Dabar robotas suvirina visą daiktą.

Sukurti raketų kompaniją sunku, sukurti 3D spausdinimo įmonę sunku, o kurti abu kartu vienu metu yra ribiniai riešutai.

Žvaigždžių vartai ir jo palikuonys naudoja vadinamojo nukreipto energijos nusodinimo variantą. Tradiciniai gamybos metodai apima gatavo produkto drožimą iš medžiagos bloko. Vietoj to 3D spausdinimas sukuria objektą sluoksnis po sluoksnio, leidžiantis sukurti lengvus objektus su sudėtingomis vidinėmis struktūromis, kurių neįmanoma padaryti kitaip. Labiausiai paplitusi 3D spausdinimo forma vadinama lydyto nusodinimo modeliavimu – medžiaga, dažnai plastikinė, išlydoma ir išspaudžiama iš antgalio tiksliais raštais, kad būtų sukurtas objektas. Sujunkite tai su suvirinimu ir turėsite nukreiptą energijos nusėdimą.

Suvirinimo pagrindai apima tolygų metalinės vielos srautą viena ranka ir šilumą kita ranka. „Stargate“ tai daro automatiškai, tiekdama laidą iš ekstruderio, esančio ant aukštos roboto rankos. Metalas kaitinamas naudojant elektrinę plazmą (o kartais ir lazerį), o po to klojamas pagal kompiuterio nurodymus. Elektroninių valdiklių, terminio vaizdo kamerų ir jutiklių, sumontuotų šalia medžiagos, esančios, derinys pritaiko spaudinį, kai jis sukuriamas. Mūsų 3D spausdinimo vizija yra programinės įrangos apibrėžta kosmoso automatizacija, sako Ellis. Tai susiję su ilgalaike 3D spausdinimo raketų Marse vizija. Tai yra būtent tie įrankiai, kurių mums prireiks, kad iš tikrųjų kurtume daiktus kitose planetose.

Tai, kaip Elisas kalba apie savo įmonę, primena Elono Musko džiaugsmus apie „SpaceX“ ir „Tesla“, tik Elisas sako, kad užbaigia Marso galvosūkio dalį, kurios Muskas dar nesprendžia. Mintis turėti du produktus. Viena iš jų yra raketų paleidimo priemonė. Kitas yra gamykla, sako jis. Laikui bėgant gamykla, kurią matome, gali trauktis vis mažesnė ir mažesnė, kol galiausiai tai bus kažkas, ką iš tikrųjų galime tiesiog paleisti į didelę raketą. Jūs statote mašiną, kuri gamina mašiną. Ir tada paleiskite jį į Marsą. Paprasta.

Praėjusį mėnesį Reliatyvumas žengė nedidelį žingsnį link šios vizijos ir paskelbė, kad su NASA pasirašė devynerių metų nuomos sutartį dėl 220 000 kvadratinių pėdų ploto objekto Misisipėje, kuris taps pirmąja autonomine raketų gamykla.

Netgi kolegos raketų kompanijos, agresyviai užsiimančios 3D spausdinimu (dar žinomas kaip priedų gamyba), nėra visiškai įsitikinusios, kad taip atrodo ateitis. „Rocket Lab“, viena iš nedaugelio mažų palydovų paleidimo įrenginių, skraidančių komerciniais skrydžiais, naudojo priedų gamybą, kad sukurtų variklius, vožtuvus, kolektorius ir daugybę kitų sudėtingų komponentų; jos generalinis direktorius Peteris Beckas sako: „Nėra būdo, kad galėtume pagaminti dabar gaminamų variklių tūrį ir našumą be 3D spausdinimo technologijos. Bet visa raketa? Atsispausdinti avionikos dėžutę, baką ar kažką panašaus nėra prasmės, nes yra daug efektyvesnių procesų tai padaryti, sako Beckas. Nenoriu lyti Timo parade. Linkiu jam viso ko geriausio, bet iš inžinerinės perspektyvos mums tai visiškai nėra prasmės.

Galų gale klientai yra tie, kuriems reikės reliatyvumo metodo išminties įrodymų. Kaip ir dauguma raketų kompanijų prieš pirmąjį paleidimą, Relativity parduoda savo klientams bandymų duomenis ir surinktą komandą. Galiausiai tai tikėjimas ir tikėjimo šuolis, kurį ketiname vykdyti, sako Ellisas. Bet taip, tai gana didelis. Ir, be abejo, tai yra procesas, kaip jį pasiekti.

Akivaizdu, kad kai kurie klientai nori žengti šį šuolį. „Relativity“ jau viešai paskelbė apie tris klientus, kurių paleidimas buvo užsakytas 2021 ir 2022 m.: Kanados ryšių bendrovė „Telesat“, Vašingtone įsikūrusi „Spaceflight“ (kuri padeda koordinuoti palydovų važiavimo dalis didesnių paleidimų metu) ir Tailando „mu Space“. Niekas nesako, kad kai tik „Relativity“ parodys, kad gali sėkmingai pradėti 2020 m., ji planuoja kasmet paleidžiamų skrydžių skaičių padidinti iki 12–24.

Tokios agresyvios laiko linijos yra įtrauktos į įmonės istoriją. Prieš trejus metus, netrukus po to, kai Ellisas ir Noone'as paliko savo pirmuosius darbus kolegijoje atitinkamai „Blue Origin“ ir „SpaceX“, jie el. paštu pakvietė investuotoją Marką Cubaną prašyti pradinio finansavimo. Pranešime buvo temos eilutė Erdvė yra seksuali: 3D spausdinama visa raketa. Kubietis, kuris didžiąją dalį verslo vykdo elektroniniu paštu, po penkių minučių atsakė, kad nori investuoti 500 000 USD. Po dviejų mėnesių jis tai padarė. Kubano teigimu, jo dėmesį patraukė ne tik priedų gamybos elementas. Idėja buvo unikali. Norėčiau apie tai pagalvoti, sako jis. Jie buvo kvalifikuoti ir vietiniai. (Ellis yra iš Teksaso, kur gyvena kubietis.)

Nuo infuzijos Reliatyvumas pakišo koją ant dujų. Per pastaruosius metus žmonių skaičius išaugo nuo 14 iki daugiau nei 80. Dabar komandoje yra Timas Buzza, vienas pirmųjų SpaceX darbuotojų ir buvęs SpaceX ir Virgin Orbit paleidimo viceprezidentas, ir Davidas Gigeris, 12 metų SpaceX darbuotojas, kuris ėjo bendrovės Dragon kapsulės inžinerijos vyresniojo direktoriaus pareigas.

Žmonės vis dar naudojasi Relativity's Stargate spausdintuvais – kol kas vis tiek. Damonas Casarezas

Nenoriu lyti Timo parade. Linkiu jam viso ko geriausio, bet iš inžinerinės perspektyvos mums tai visiškai nėra prasmės.

Atrodo, kad Elisas, atsakingas už samdymą ir kapitalo pritraukimą, neturi problemų užkariaujant žmones visais lygiais. Jis turi vietą Baltųjų rūmų Nacionalinės kosmoso tarybos vartotojų patariamojoje grupėje, o sutartys ir pinigai patenka į įmonę. Relativity užbaigė 35 mln. konkurencingos paleidimo vietos pasaulyje: Floridos Kanaveralo kyšulys.

Šis paskutinis perversmas, paskelbtas sausį, nukreipia „Terran 1“ į paleidimą iš šventojo „Launch Complex 16“, kuriame kažkada buvo paleista „Titano“ raketos, „Apollo“ ir „Gemini“ programos. Tokie didelio atgarsio žingsniai privertė „Relativity“ vardą įtraukti į pokalbius apie tokias kompanijas kaip „SpaceX“, „Blue Origin“ ir „United Launch Alliance“, kurios anksčiau buvo vienintelės trys aprangos, turinčios leidimą pakilti iš Kanaveralo kyšulio.

Raketos spausdinimas reiškia bandomųjų dalių sudarymą, pjaustymą į gabalus ir dar kai kuriuos bandymus. Ar paminėjome testavimą? Damonas Casarezas

Spausdinimas prasideda

Reliatyvumas toli gražu nėra vienintelis, kuris tikisi, kad 3D spausdinimas pateks jį į kosminių skrydžių elitą. Startuoliai, įskaitant „Virgin Orbit“, „Firefly“ ir „Electron“, siekia įrodyti, kad jie, kaip ir „Rocket Lab“, turi tai, ko reikia mažiems palydovams paleisti į kosmosą. Netgi tokios žinomos įmonės kaip „Aerojet Rocketdyne“ bando įrodyti, kad 3D spausdinimas yra lygiavertis tradiciniams gamybos technologijoms arba netgi patikimesnis už juos.

Tačiau niekas to nesiekia taip sunkiai ir greitai, kaip Reliatyvumas. „Aerojet“ kuria variklius pagal vyriausybines sutartis ir žmogaus vertinamas raketas, tokias kaip NASA kosminio paleidimo sistema, kurios turi būti ypač nuoseklios ir patikimos. Bendrovė teigia, kad daugiau nei 60% jos tyrimų ir plėtros 3D spausdinimo srityje buvo ne kas kita, kaip įvairių medžiagų cheminių ir struktūrinių savybių duomenų bazės sukūrimas. Kiti gali tai praleisti, ir tai yra jų teisė tai daryti kaip rizikinga poza, sako Jeffas Haynesas, „Aerojet“ pažangių programų vyresnysis vadovas.

Priešingai, Relativity, jei mes visiškai atspausdintą variklį pastatysime ant bandymų stendo, sėkmingai jį paleidžiame ir tada paleisime, tai mums yra sėkmė, sako Noone. Galite parašyti šimtus puslapių specifikacijų, nurodančių, kaip ten patekti ir kaip ją pagaminti, bet mes turime savo būdus, kaip tai padaryti. Nenorėčiau būti užsikabinęs kuriant specifikaciją, o ne tiesiog ką nors išbandyti ir parodyti, kad tai veikia.

Toks greitas judėjimas ir sugriauti dalykų mentalitetas sukeltų daug bemiegių naktų daugumai raketų dizainerių. „Virgin Orbit“, „Relativity's“ konkurentė, savo pirmojoje „LauncherOne“ raketoje turi priedų pagamintų dalių, tačiau bendrovė džiaugiasi galėdama lengviau naudotis madingomis technologijomis. „LauncherOne“ transporto priemonės variklis šiuo metu naudoja labai patikimus gamybos metodus, kuriuos NASA įrodė nuo šeštojo ir šeštojo dešimtmečių, nes [prioritetas] pirmoje vietoje paleidžiamose transporto priemonėse yra patikimumas, sako „Virgin Orbit“ pažangios gamybos vadovas Kevinas Zagorskis.

Kitos įmonės, suteikiančios galimybę gaminti priedus, paleidžiamos nuo Jeffo Bezoso „Blue Origin“ (kur Ellisas per vieną iš trijų stažuočių ten įsigijo pirmąjį metalinį 3D spausdintuvą) iki „Launcher“, nedidelio startuolio, kuris teigė, kad sukūrė didžiausias pasaulyje 3D spausdintas raketų variklis. Sunkūs smogikai, tokie kaip „SpaceX“, NASA, „Rocket Lab“, „United Launch Alliance“ ir „ArianeGroup“, taip pat įžengė į 3D spausdinimo žiedą.

Daugelis šių organizacijų nurodo, kodėl naudoja šią techniką, yra dvejopi: galite sukurti ką nors iš mažiau dalių ir greičiau pakoreguoti dizainą. Iš pradžių „Rocket Lab's Beck“ pastebėjo, kad priedų gamyba įgijo blogą reputaciją, nes ji nebuvo veiksmingai naudojama. Kažkas paimtų subtraktyviai pagamintą [ty apdirbtą] komponentą ir bandytų jį spausdinti trimačiu formatu. Jis sako, kad tai būtų brangiau ir užtruktų daugiau laiko. Tačiau, kaip ir bet kuri nauja technologija, viskas priklauso nuo proceso projektavimo. Kai 3D spausdintos dalys tikrai išsiskiria, yra labai sudėtingos ir sujungiate daug dalių į vieną.

Savo ruožtu „Relativity“ gali pasigirti, kad „Terran 1“ turės tik šimtąją dalį daugiau dalių nei standartinė raketa. Jo variklis „Aeon 1“ pagamintas tik iš trijų kartu sujungtų dalių.

Tačiau sunku išsiaiškinti, kiek tai yra viešųjų ryšių triukas. Skelbti, kad padarėte pirmą, vilioja, ypač mažoms pradedančioms įmonėms. Pavyzdžiui, „Reliatyvumas“ teigia sukūręs didžiausią metalinį 3D spausdintuvą, kaip ir „Sciaky“ ir „Titomic“, dvi pramoninės techninės įrangos įmonės, kurios nedalyvauja kosmoso versle. Visi nori pabandyti išsiskirti ir patraukti antraštes, sako Beckas. Jei kas nors nori ką nors pakalbėti apie 3D spausdinimą, gerai, bet tai šiek tiek juokinga.

Net jei visos raketos 3D spausdinimas nėra praktiškas, esu tikrai įsitikinęs, kad bet kokiu atveju tai duos naudingų rezultatų, sako Danas Erwinas, Pietų Kalifornijos universiteto astronautikos inžinerijos vadovas. Erwinas vadovavo USC raketų laboratorijai, kai Ellis ir Noone ten studijavo, bet nuo to laiko su jais nedirbo. Turiu intuiciją, kad tai yra vienas iš tų dalykų, „jei tu jį pastatysi, jie ateis“, – sako jis. Nepriklausomai nuo to, ar „Relativity“ kitais metais paleis raketą, ji verčia lėtai judančią pramonę atidžiau pažvelgti į technologiją, kuri naudoja ne kosminius skrydžius, ir galbūt ją tobulinti. Galutinis rezultatas gali būti ne kas kita, kaip naujos rūšies spausdintuvas. Arba tai gali būti į Marsą nukreipta raketa, kuri mums visiems buvo pažadėta. Gyvenimas per trumpas, kad tiesiog lauktume, kol ateitis įvyks greičiau, sako Ellisas. Turėtume jį sukurti.

paslėpti