让火箭零件数量减少100倍，看Relativity 如何用3D打印机造火箭
让火箭零件数量减少100倍，看Relativity 如何用3D打印机造火箭
最近，国内商业航天公司纷纷使用3D打印技术来制造火箭发动机零件。实际上，美国的Relativity Space公司在火箭3D打印领域走得更远，他们已经发射过"全3D打印"的火箭。本文就来进一步回顾一下，Relativity Space 是如何使用3D打印技术来制造火箭的。
Relativity Space开发的火箭发动机引擎
首枚3D打印火箭发射"失败"但也算成功
2023年3月23日，世界上首枚3D打印火箭在第三次尝试发射中取得了一定的成功，但在第二级点火时出现异常未能进入轨道。虽然这次发射"失败"，但仍然是3D打印火箭的一大进步，因为此前并没有人这样做。
此次发射的"3D打印火箭"名为Terran 1 ，由Relativity Space公司研发，由于这次是发射试验，因此火箭上没有装载卫星等产品，只有一些打印失败的零件。火箭高 33米，宽 2.3米，这是一款两级一次性火箭，第一级有九个3D 打印的发动机，第二级有一个发动机。所有发动机都是完全 3D 打印的，并使用液态氧和液态天然气作为燃料 。
Terran 1系列火箭是一款几乎完全是通过3D打印技术打造的火箭，这意味着整个机身和发动机的几乎所有部件都是通过自研的DED 金属3D打印机或金属PBF 3D打印机打印的。据悉，公司拥有三台大型 EOS M400 系统、四台 Velo3D Sapphire系统和内部开发的巨型 Stargate 金属 DED 系统。
DED 技术3D打印火箭金属部件
Relativity Space 总部的DED 3D 打印机
Relativity Space 工厂内的PBF 金属3D打印机
Relativity Space 工厂内的大型DED 3D打印机
自研大型DED 金属3D打印机
为了3D打印火箭零部件，Relativity Space 自研了DED 金属3D打印机，这种设备适合打印大型的金属零部件。2022年10月，Relativity Space推出了其星际之门（Stargate）3D打印机的第四代版本。四代版本打印速度相较三代版本提升了7倍！还能生产长达36.6m、宽7m的部件！其产能比三代高出55倍！
据Relativity Space称，第四代系统 "打破了传统的打印限制"，它可以水平制造，将多条线送入一个打印头。公司正在开发和生产Terran R的部件，这是一款即将开发完成的火箭，将能够向低地球轨道（LEO）发射多达20,000公斤的货物。
Relativity Space 的联合创始人兼CEO 蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）说："未来航空航天领域的大型装备将不可避免地采用3D打印技术。产品越轻，性能越好，当使用3D打印制造飞行产品时，每一次连续的改进也会使其生产速度更快，成本更低。目前我们仍处于打印技术开发部件的早期阶段，其技术迭代的可能性依然很高。"
说到打印质量，新的 "星际之门 "具有先进的遥感技术，它结合了计算机视觉、传感器和遥测技术来解锁实时过程监控。打印机的软件借鉴了机器学习方法，允许创建更复杂和更大的金属零件。
第四代DED 3D打印机将成为制造 "Terran "R的主要生产工具，这种方式能够从根本上减少零件数量。此外，火箭还将使用内部开发的独特材料，据说这种材料更轻，加工速度更快，从而释放出下游的成本节约。
在未来的几年里，新的 "星际之门 "系统将极大地改变供应链，因为它能在几个月内用少100倍的零件生产火箭。因此，最新系统能够加速航空航天领域的进步和创新，同时也能在利润丰厚的航空、能源和国防领域有所收获。
左图：Terran1火箭 右图：具有20倍有效载荷能力的Terran R火箭
蒂姆-埃利斯（Tim Ellis）补充说："星际之门 3D 打印机为大规模制造产品的创新提供了机会。由于高度适应性、可扩展性和自动化过程，通过软件驱动的制造，传统的航空航天和空间制造商需要花费数年时间来开发和建造的产品将被减少到几个月。我们认为3D打印是一种自动化技术，有能力改变制造业的创新步伐，这就是为什么我们从第一天起就投资建立我们自己的专有技术库。"
创始人蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）并不是第一个想到 3D 打印整个火箭的人，当时3D 打印部件已经在 NASA 火箭上使用了，但他们决心将制造火箭的成本从几亿降至几百万，并保持这样的初心进行研发和生产。此次研发的增材制造平台是一台大型3D打印机，可以在不到 60 天的时间内制造出零件数量减少十分之一的火箭。此3D打印机使用多个安装了激光器的Kuka机械臂，并将铝金属线送入激光器的焦点，可以对组件进行 3D 打印。为了在打印过程中熔化和融合材料，Stargate 使用了高功率激光和等离子弧技术。
2024年6月，从Relativity Space 发布的最新视频中可以看到，团队已经开始了长持续时间的测试 Aeon R 发动机，以 100% 的功率点火 180 秒，这是 Terran R 第一级飞行的最大持续时间加上余量。