Czy świat potrzebuje rakiety wydrukowanej w 3D?

Obraz wydrukowanego w 3D fragmentu rakiety Damon Casarez

Niegdyś nieskazitelnie białe podłogi przedstawione w Przestrzeń względności Zdjęcia PR są teraz przetarte i pokryte pozostałościami typowego warsztatu mechanicznego. W jego magazynie na obrzeżach Los Angeles trzy ramiona robota wiszą imponująco obok pojemnika wypełnionego zwojem metalowego drutu. Pokrywka pojemnika ma postrzępiony otwór, jakby ktoś przebił ją w zły dzień; taśma klejąca została przyklejona, aby zakryć ostre krawędzie. To maszyna, która została zepchnięta do granic możliwości, w służbie wzniosłego celu. Kierowana przez swoich założycieli, Tima Ellisa i Jordana Noone, Relativity próbuje stworzyć 95% swojej rakiety Terran 1 przy użyciu druku 3D w zaledwie 60 dni.

Dobrze przeczytałeś: plan zakłada przejście od surowca do gotowej do startu rakiety w ciągu dwóch miesięcy. Jeśli brzmi to zuchwale, to dlatego, że tak jest. Ogromnie. Druk 3D ma chwilę w branży lotów kosmicznych — wszyscy, od SpaceX do Blue Origin, po mniej znane start-upy i sklepy z rakietami starej gwardii, majstrują przy tej technologii, a niektórzy posunęli się nawet do drukowania własnych silników od zera. Ale nawet inżynierowie zajmujący się najnowocześniejszą rakietą drukowaną w 3D nie wiedzą, co sądzić o firmie Ellisa i Noone'a. I więcej niż jeden myśli, że są po prostu szaleni.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Tradycyjnie przemysł lotniczy nie zmieniał się szybko i nie bez powodu: rakiety to kontrolowane eksplozje, które narażają na ryzyko ogromne sumy pieniędzy, a czasami ludzkie życie. Względność ma na celu zdobycie sceptyków i oporów dzięki testowemu wystrzeleniu w 2020 roku. Rzecz w tym, że nie wydrukowali jeszcze nawet całej rakiety.

Rakiety składają się z czterech głównych systemów: ładunku, naprowadzania, napędu i konstrukcji. Ładunek jest tym, co niesie rakieta. Naprowadzanie składa się z czujników, które utrzymują pojazd na celu, a napęd składa się z paliwa i silnika, które go napędzają. Konstrukcje to reszta ramy, stożka i płetw rakiety — części, które są zwykle wytwarzane przy użyciu ultraprecyzyjnych frezarek CNC i spawania ręcznego.

W ten sposób można powiedzieć, że za każdym udanym wprowadzeniem na rynek kryje się ogromna ilość pracy i rozległa sieć dostawców współpracujących wspólnie nad montażem każdego pojazdu. Dzięki usprawnieniu łańcucha dostaw firma Relativity ma nadzieję na znaczne skrócenie czasu produkcji.

Ale ten cel, jakim jest wydrukowanie ponad 100-metrowego (30-metrowego) wyglądu zewnętrznego Terrana 1 i zbiornika paliwa, wiąże się z dodatkowym wyzwaniem: stworzeniem drukarek, które mogą wykonać to zadanie. Zbudowanie firmy rakietowej jest trudne, zbudowanie firmy zajmującej się drukowaniem 3D jest trudne, a budowanie obu razem jednocześnie to szaleństwo, mówi Ellis, dyrektor generalny Relativity. Ale chociaż jest to najtrudniejsza część pracy, jest to również sekretny sos, który sprawi, że Relativity będzie firmą zmieniającą świat.

Jeśli Terran I ma dostać się w kosmos, jego wysoki na 11 stóp zbiornik paliwa musi działać jak marzenie. Damon Casarez

Jednak wciąż jest droga do zrobienia, zanim zmieni się świat. Nie będziemy latać rakietą, dopóki nie opracujemy technologii drukowania 3D z metalu, przyznaje Ellis. Daje to więc sporo egzystencjalnego kopa w tyłek, aby to rozgryźć, ponieważ jest to jedyny sposób, w jaki rzeczywiście osiągniemy nasz cel.

Dzieci gwiezdnych wrót

Samotna, wysoka na 20 stóp drukarka Relativity, Stargate, służy firmie od czasu, gdy w 2017 roku wyszła z trybu ukrycia, ale w końcu ma nastąpić przerwa. W pobliskim budynku znajdują się cztery zaktualizowane, świeże modele. Każdy z nich jest osłonięty długimi czarnymi klapami, które biegną od sufitu magazynu do podłogi i zdradzają swoją nowość ostrym zapachem plastiku. Na jednym wisi mały, zabawkowy obręcz do koszykówki – tak jakby do tej pory częściej służył jako tablica niż drukarka rakietowa.

Olbrzymi obraz rozpryskujący się na ścianie przedstawia wyczekiwaną wizję przyszłości firmy: magazyn wypełniony wyłącznie gwiezdnymi wrotami, mniejszymi drukarkami i ramionami robotów. Raj inżyniera i koszmar mechanika. To roboty umieszczają nagłówki w naszych pracach w formie murali.

Ogromne maszyny zdają się uśmiechać, patrząc na dziesięciolecia montażu rakiet. Podczas programu Apollo inżynierowie napotkali ogromne trudności w uzyskaniu doskonałych spoin w serii rakiet Saturn. Nawet doświadczeni spawacze musieli przejść specjalistyczne szkolenie, aby wykonać wymagane długie i precyzyjne przejścia spawalnicze. Teraz robot spawa całość.

Zbudowanie firmy rakietowej jest trudne, zbudowanie firmy zajmującej się drukowaniem 3D jest trudne, a budowanie obu razem jednocześnie to szaleństwo.

Gwiezdne wrota i ich potomstwo używają wariantu tak zwanego ukierunkowanego odkładania energii. Tradycyjne metody produkcji polegają na wycinaniu gotowego produktu z bloku materiału. Druk 3D buduje obiekt warstwa po warstwie, umożliwiając tworzenie lekkich obiektów o skomplikowanych strukturach wewnętrznych, których nie można wykonać w inny sposób. Najbardziej rozpowszechnioną formą drukowania 3D jest modelowanie topionego osadzania — materiał, często plastik, jest topiony i wyciskany z dyszy w precyzyjnych wzorach, aby zbudować obiekt. Połącz to ze spawaniem, a uzyskasz ukierunkowane osadzanie energii.

Podstawy spawania polegają na dostarczaniu równomiernym strumieniem drutu metalowego jedną ręką, a drugą nagrzewaniem. Stargate robi to automatycznie, podając drut z ekstrudera na końcu wysokiego ramienia robota. Metal jest podgrzewany za pomocą plazmy elektrycznej (a czasem lasera), a następnie układany zgodnie z instrukcjami komputera. Połączenie elektronicznych elementów sterujących, kamer termowizyjnych i czujników zamontowanych w pobliżu miejsca osadzania materiału dostosowuje wydruk podczas jego tworzenia. Nasza wizja druku 3D to definiowana programowo automatyzacja dla przemysłu lotniczego, mówi Ellis. To zmierza w kierunku długoterminowej wizji rakiet drukujących 3D na Marsie. To są dokładnie te narzędzia, których będziemy potrzebować do budowania rzeczy na innych planetach.

Sposób, w jaki Ellis opowiada o swojej firmie, przywodzi na myśl uniesienia Elona Muska dotyczące SpaceX i Tesli, tylko Ellis mówi, że kończy część układanki Marsa, z którą Musk jeszcze się nie zmaga. Myśl dotyczy dwóch produktów. Jednym z nich jest wyrzutnia rakiet. Drugi to fabryka, mówi. Widzimy, że z biegiem czasu fabryka jest w stanie kurczyć się coraz mniejsza i mniejsza, aż w końcu stanie się czymś, co możemy po prostu wystrzelić na dużej rakiecie. Budujesz maszynę, która tworzy maszynę. A potem wystrzel go na Marsa. Prosty.

Relativity zrobił mały krok w kierunku tej wizji w zeszłym miesiącu, ogłaszając, że podpisał dziewięcioletnią umowę najmu z NASA na obiekt o powierzchni 220 000 stóp kwadratowych w Mississippi, który stanie się jej pierwszą autonomiczną fabryką rakiet.

Nawet inne firmy rakietowe agresywnie zajmujące się drukowaniem 3D (tzw. wytwarzaniem addytywnym) nie są do końca przekonani, jak wygląda przyszłość. Rocket Lab, jedna z niewielu małych wyrzutni satelitarnych, które latają samolotami komercyjnymi, polegała na produkcji addytywnej do tworzenia silników, zaworów, kolektorów i wielu innych złożonych komponentów; jej dyrektor generalny, Peter Beck, mówi: „Nie ma możliwości, abyśmy mogli wyprodukować taką wielkość i wydajność silników, które obecnie produkujemy, bez technologii druku 3D. Ale cała rakieta? Pójście i wydrukowanie pudełka lub czołgu awioniki czy czegoś w tym rodzaju nie ma sensu, ponieważ są na to znacznie wydajniejsze procesy, mówi Beck. Nie chcę padać na paradzie Tima. Życzę mu absolutnie wszystkiego najlepszego, ale z technicznego punktu widzenia nie ma to dla nas żadnego sensu.

Ostatecznie to klienci będą potrzebować dowodu mądrości metody względności. Podobnie jak większość firm rakietowych przed ich pierwszym uruchomieniem, Relativity sprzedaje swoim klientom dane testowe i zespół, który został zebrany. Ostatecznie jest to wiara i skok wiary, że zamierzamy wykonać, mówi Ellis. Ale tak, jest całkiem duży. I na pewno jest to proces, aby się do tego dostać.

Najwyraźniej niektórzy klienci są gotowi na taki skok. Relativity już publicznie ogłosiło trzech klientów, których starty zostały zarezerwowane na 2021 i 2022 r.: kanadyjska firma telekomunikacyjna Telesat z siedzibą w Waszyngtonie Spaceflight (która pomaga koordynować udziały w satelitach podczas większych startów) oraz tajlandzka firma mu Space. Nikt nie mówi, że gdy teoria względności pokaże, że może z powodzeniem wystartować w 2020 roku, planuje zwiększyć liczbę lotów, które uruchamia każdego roku z 12 do 24.

Tego rodzaju agresywne linie czasu są wpisane w tradycję firmy. Trzy lata temu, wkrótce po tym, jak Ellis i Noone opuścili swoje pierwsze prace po studiach, odpowiednio w Blue Origin i SpaceX, namówili inwestora Marka Cubana przez e-mail z prośbą o finansowanie nasion. Wiadomość miała temat Przestrzeń jest sexy: drukowanie 3D całej rakiety. Kubańczyk, który większość swojej działalności prowadzi przez e-mail, odpowiedział pięć minut później, mówiąc, że chce zainwestować 500 000 dolarów. Dwa miesiące później to zrobił. Według Cubana, jego uwagę przykuł nie tylko element wytwarzania dodatków. Pomysł był wyjątkowy. Szkoda, że ​​o tym nie pomyślałem, mówi. Byli wykwalifikowani i byli lokalni. (Ellis pochodzi z Teksasu, gdzie mieszka Kubańczyk.)

Od czasu naparu Relativity postawiło stopę na gazie. W ubiegłym roku liczba osób wzrosła z 14 do ponad 80. W skład zespołu wchodzą teraz Tim Buzza, jeden z pierwszych pracowników SpaceX i były wiceprezes ds. startów w SpaceX i Virgin Orbit oraz David Giger, 12-letni pracownik SpaceX, który pełnił funkcję starszego dyrektora ds. inżynierii kapsuły Dragon firmy.

Ludzie wciąż są w pętli z drukarkami Stargate firmy Relativity — przynajmniej na razie. Damon Casarez

Nie chcę padać na paradzie Tima. Życzę mu absolutnie wszystkiego najlepszego, ale z technicznego punktu widzenia nie ma to dla nas żadnego sensu.

Wygląda na to, że Ellis, lider w zatrudnianiu i zbieraniu kapitału, nie ma problemów z pozyskiwaniem ludzi na wszystkich poziomach. Ma miejsce w Grupie Doradczej Użytkowników Narodowej Rady Kosmicznej Białego Domu, a kontrakty i gotówka napływają do firmy. Relativity zamknął 35-milionową rundę finansowania serii B, podpisał umowę z NASA na testowanie swoich silników w Stennis Space Center w Mississippi (ten sam obiekt, do którego ostatecznie trafi jego autonomiczna fabryka) i otrzymał pozwolenie na uruchomienie w jednym z najbardziej konkurencyjne miejsca startowe na świecie: Cape Canaveral na Florydzie.

Ten ostatni zamach stanu, ogłoszony w styczniu, ustawia Terrana 1 do startu z uświęconego kompleksu startowego 16, który niegdyś był gospodarzem wystrzeliwania rakiet Titan, programu Apollo i programu Gemini. Takie głośne ruchy zmusiły nazwę Relativity do rozmów o firmach takich jak SpaceX, Blue Origin i United Launch Alliance, wcześniej jedynych trzech firmach z zezwoleniami na start z Cape Canaveral.

Wydrukowanie rakiety oznacza wykonanie sekcji testowych, pocięcie ich na kawałki i jeszcze kilka innych testów. Czy wspominaliśmy o testowaniu? Damon Casarez

Drukowanie startuje

Teoria względności nie jest osamotniona w nadziei, że druk 3D wprowadzi ją do elity lotów kosmicznych. Startupy, w tym Virgin Orbit, Firefly i Electron, walczą o udowodnienie, że podobnie jak Rocket Lab, mają wszystko, czego potrzeba, aby wystrzelić małe satelity w kosmos. Nawet renomowane firmy, takie jak Aerojet Rocketdyne, próbują udowodnić, że drukowanie 3D jest na równi z tradycyjnymi technikami produkcji, a nawet bardziej od nich niezawodne.

Ale nikt nie dąży do tego tak mocno i szybko jak teoria względności. Aerojet buduje silniki na kontrakty rządowe i rakiety przeznaczone dla ludzi, takie jak NASA Space Launch System, które muszą być wyjątkowo spójne i niezawodne. Firma twierdzi, że ponad 60% jej prac badawczo-rozwojowych w zakresie druku 3D było niczym innym jak stworzeniem bazy danych właściwości chemicznych i strukturalnych różnych materiałów. Inni mogą to pominąć i mają do tego prawo jako postawa akceptująca ryzyko, mówi Jeff Haynes, starszy menedżer ds. zaawansowanych programów w Aerojet.

Natomiast w Relativity, jeśli postawimy w pełni wydrukowany silnik na stanowisku testowym, pomyślnie go odpalimy, a potem latamy, to dla nas sukces, mówi Noone. Mógłbyś napisać setki stron specyfikacji mówiących, jak się tam dostać i jak to wyprodukować, ale mamy na to sposoby. Nie chciałbym być zawieszony na tworzeniu specyfikacji, a nie tylko próbować czegoś i demonstrować, że to działa.

To poruszanie się szybko i łamanie mentalności doprowadziłoby do wielu nieprzespanych nocy dla większości projektantów rakiet. Virgin Orbit, konkurent firmy Relativity, ma w swojej pierwszej rakiecie LauncherOne części wytwarzane metodą addytywną, ale firma jest szczęśliwa, że ​​nie podchodzi do modnych technologii. W silniku pojazdu LauncherOne zastosowano obecnie bardzo niezawodne metody produkcji, które NASA dowiodła od lat 50. i 60., ponieważ priorytetem numer jeden dla pojazdów wprowadzanych na rynek jest niezawodność, mówi kierownik ds. zaawansowanej produkcji w Virgin Orbit, Kevin Zagorski.

Inne firmy dające szansę na produkcję addytywną stosują gamę produktów od Blue Origin Jeffa Bezosa – gdzie Ellis miał rękę w zakupie pierwszej metalowej drukarki 3D firmy podczas jednego z jego trzech stażów – do Launchera, małego startupu, który twierdził, że dokonał największy na świecie silnik rakietowy wydrukowany w 3D. Ciężkie hity, takie jak SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance i ArianeGroup, również weszły na ring drukowania 3D.

Powody, dla których większość z tych organizacji podaje za stosowanie tej techniki, są dwojakie: możesz zbudować coś z mniejszą liczbą części i szybciej modyfikować projekty. Początkowo Beck z Rocket Lab zauważył, że produkcja addytywna zyskała złą reputację, ponieważ nie była efektywnie wykorzystywana. Ktoś wziąłby wyprodukowany subtrakcyjnie [tj. obrobiony] komponent i spróbował go wydrukować w 3D. Mówi, że okazałoby się to droższe i bardziej czasochłonne. Ale jak w przypadku każdej nowej technologii, wszystko sprowadza się do projektowania pod kątem procesu. Tam, gdzie części drukowane w 3D naprawdę się wyróżniają, jest to, gdzie masz naprawdę dużą złożoność i łączysz wiele części w jedną.

Ze swojej strony Relativity chwali się, że Terran 1 będzie miał zaledwie setną liczbę części, co standardowa rakieta. Jego silnik, Aeon 1, składa się tylko z trzech połączonych ze sobą części.

Trudno jednak określić, ile z tego stanowi chwyt PR. Ogłaszając, że zrobiłeś pierwszy, co jest kuszące, szczególnie dla małych startupów. Na przykład Relativity twierdzi, że zbudował największą metalową drukarkę 3D – podobnie jak Sciaky i Titomic, dwie firmy produkujące sprzęt przemysłowy, które nie działają w branży kosmicznej. Wszyscy starają się znaleźć jakiś punkt odróżnienia i próbują trafić na nagłówki, mówi Beck. Jeśli ktoś chce porozmawiać o drukowaniu 3D, to w porządku, ale jest to trochę zabawne.

Nawet jeśli drukowanie 3D całej rakiety nie jest praktyczne, jestem naprawdę przekonany, że w każdym razie przyniesie to użyteczne efekty uboczne, mówi Dan Erwin, szef inżynierii astronautycznej na Uniwersytecie Południowej Kalifornii. Erwin prowadził laboratorium rakietowe USC, kiedy Ellis i Noone tam studiowali, ale od tego czasu nie pracowali z nimi. Mam intuicję, że jest to jedna z tych rzeczy w stylu „Jeśli to zbudujesz, przyjdą”, mówi. Niezależnie od tego, czy Relativity wystrzeli rakietę do przyszłego roku, zmusza wolno rozwijającą się branżę do bliższego przyjrzenia się i być może rozwinięcia technologii, która wykorzystuje loty kosmiczne. Efektem końcowym może być nic innego jak nowy rodzaj drukarki. Albo może to być rakieta na Marsa, którą wszystkim obiecano. Życie jest zbyt krótkie, by po prostu czekać, aż przyszłość wydarzy się szybciej, mówi Ellis. Powinniśmy to stworzyć.

ukryć