Har verden brug for en 3D-printet raket?

Et billede af et 3D-printet raketstykke Damon Casarez

De engang uberørte hvide gulve var med Relativitetsrummet PR-billeder er nu skrabet og belagt med rester fra en typisk maskinværksted. Inde i dets lager i udkanten af ​​Los Angeles hænger tre robotarme imponerende ved siden af ​​en container fyldt med en spole af metaltråd. Beholderens låg har et takket hul, som om nogen slog igennem det på en dårlig dag; der er slået gaffatape på for at dække de skarpe kanter. Dette er en maskine, der er blevet skubbet til sine grænser, i tjeneste for et højt mål. Anført af sine grundlæggere, Tim Ellis og Jordan Noone, forsøger Relativity at skabe 95 % af sin raket, Terran 1, ved hjælp af 3D-print, på kun 60 dage.

Du læste rigtigt: Planen er at gå fra råmateriale til en opsendelsesklar raket på to måneder. Hvis det lyder dristig, er det fordi det er det. Enormt. 3D-print har et øjeblik i rumfartsindustrien - alle fra SpaceX til Blue Origin til mindre kendte startups og gammeldags raketbutikker piller ved teknologien, og nogle er gået så langt som at printe deres egne motorer fra bunden. Men selv ingeniører på forkant med 3D-printede raketter ved ikke, hvad de skal gøre af Ellis og Noones opkomne firma. Og mere end én tror, ​​de bare er skøre.

Denne historie var en del af vores juli 2019-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Traditionelt har rumfartsindustrien ikke været hurtige til at ændre sig, og med god grund: raketter er kontrollerede eksplosioner, der sætter enorme pengesummer og nogle gange menneskeliv på spil. Relativity sigter mod at vinde over skeptikere og holdouts med en testopsendelse i 2020. Sagen er, at de ikke engang har printet en hel raket endnu.

I deres kerne består raketter af fire hovedsystemer: nyttelast, styring, fremdrift og strukturer. Nyttelasten er uanset hvad raketten bærer. Vejledningen består af sensorer, der holder fartøjet på mål, og fremdriften består af brændstoffet og motoren, der får det til at køre. Strukturerne er resten af ​​rammen, keglen og finnerne på raketten - dele, der typisk er fremstillet ved hjælp af ultrapræcise CNC-fræsemaskiner og håndsvejsning.

Det er alt sammen en måde at sige, at bag hver succesfuld lancering er en enorm mængde arbejdskraft og et stort netværk af leverandører, der arbejder sammen om at samle hvert køretøj. Ved at strømline forsyningskæden håber Relativity at reducere produktionstiden kraftigt.

Men dette mål med at udskrive Terran 1's mere end 100 fod høje (30 meter) ydre og brændstoftank kommer med en ekstra udfordring: at skabe printere, der kan udføre opgaven. At bygge et raketfirma er svært, at bygge et 3D-printfirma er svært, og at bygge begge sammen på samme tid er grænseoverskridende, siger Ellis, Relativitys CEO. Men selvom det er den sværeste del af jobbet, er det også den hemmelige sauce, der vil gøre Relativity til en verdensforandrende virksomhed.

Hvis Terran I skal komme til rummet, skal dens 11 fod høje brændstoftank fungere som en drøm. Damon Casarez

Der er dog stadig et stykke vej at gå, før verden ændrer sig. Vi kommer ikke til at flyve med en raket, medmindre vi får udviklet disse metal 3D-printteknologier, indrømmer Ellis. Så det giver en del eksistentielt spark i numsen for at finde ud af det, for det er den eneste måde, vi rent faktisk kommer til at nå vores mål.

Børn af Stargate

Relativitys ensomme 20 fod høje printer, Stargate, har tjent virksomheden, siden den forlod stealth mode i 2017, men den er endelig ved at få en pause. I en nærliggende bygning er fire opdaterede, friske-ud-af-boksen-modeller. Hver enkelt er skærmet af lange sorte klapper, der løber fra lagerloftet til gulvet og forråder deres nyhed med en stikkende plastiklugt. Man har en lille legetøjsbasketkurv hængende på den - som om den hidtil oftere er tjent som en bagplade end en raketprinter.

Et kæmpe billede sprøjtet hen over væggen skildrer en håbet vision om virksomhedens fremtid: et lager fyldt med kun Stargates, mindre printere og robotarme. Et ingeniørparadis og en maskinmesters mareridt. Det er robotterne, der tager vores jobs overskrifter i vægmaleriform.

De store maskiner ser ud til at grine ad årtiers raketsamling. Under Apollo-programmet stod ingeniører over for ekstreme vanskeligheder med at opnå perfekte svejsninger på Saturn-serien af ​​raketter. Selv erfarne svejsere skulle have specialuddannelse for at gennemføre de lange, præcise svejsegange, der krævedes. Nu svejser en robot det hele.

At bygge et raketfirma er svært, at bygge et 3D-printfirma er svært, og at bygge begge sammen på samme tid er grænseoverskridende nødder.

Stargate og dets afkom bruger en variant af det, der er kendt som rettet energiaflejring. Traditionelle fremstillingsmetoder involverer udskæring af et færdigt produkt fra en blok af materiale. 3D-print bygger i stedet et objekt op lag for lag, hvilket muliggør skabelsen af ​​lette objekter med indviklede interne strukturer, som er umulige at lave på anden måde. Den mest udbredte form for 3D-print kaldes fused deposition modeling - et materiale, ofte plastik, smeltes og presses ud af en dyse i præcise mønstre for at bygge et objekt. Kombiner det med svejsning, og du har rettet energiaflejring.

Det grundlæggende ved svejsning involverer at levere en konstant strøm af metaltråd med den ene hånd og varme med den anden. Stargate gør dette automatisk ved at føre tråd ud af en ekstruder på enden af ​​en høj robotarm. Metallet opvarmes ved hjælp af elektrisk plasma (og nogle gange en laser) og lægges derefter ned i henhold til en computers instruktioner. En kombination af elektroniske kontroller, termiske billedkameraer og sensorer monteret i nærheden af ​​det sted, hvor materialet er aflejret, tilpasser printet, efterhånden som det er skabt. Vores vision for 3D-print er softwaredefineret automatisering til rumfart, siger Ellis. Det er på vej mod den langsigtede vision om 3D-printraketter på Mars. Det er præcis de værktøjer, vi skal bruge for faktisk at bygge ting på andre planeter.

Den måde, Ellis taler om sit firma på, leder tankerne hen på Elon Musks jubel om SpaceX og Tesla, kun Ellis siger, at han er ved at fuldende en del af Mars-puslespillet, Musk endnu ikke tackler. Tanken er at have to produkter. Den ene er raketfartøjet. Den anden er fabrikken, siger han. Med tiden vil den fabrik, vi ser, være i stand til at skrumpe ned mindre og mindre og mindre, indtil det til sidst er noget, vi faktisk bare kan affyre på en stor raket. Du bygger maskinen, der laver maskinen. Og send den derefter til Mars. Enkel.

Relativitet tog et lille skridt i retning af den vision i sidste måned og annoncerede, at den havde underskrevet en ni-årig lejekontrakt med NASA på en 220.000 kvadratmeter stor facilitet i Mississippi, der vil blive dens første autonome raketfabrik.

Selv andre raketfirmaer, der aggressivt forfølger 3D-print (også kendt som additiv fremstilling), er ikke helt overbevist om, at det er sådan fremtiden ser ud. Rocket Lab, en af ​​kun få små satellit-affyringsramper, der flyver kommercielle flyvninger, har været afhængig af additiv fremstilling til at skabe motorer, ventiler, manifolder og en række andre komplekse komponenter; dets administrerende direktør, Peter Beck, siger: Der er ingen måde, hvorpå vi kan producere volumen og ydeevnen af ​​de motorer, som vi producerer nu uden 3D-printteknologi. Men en hel raket? At gå og printe en flyelektronikboks eller tank eller sådan noget giver ingen mening, for der er meget mere effektive processer til at gøre det, siger Beck. Jeg vil ikke regne på Tims parade. Jeg ønsker ham det bedste, men fra et ingeniørmæssigt perspektiv giver det absolut ingen mening for os.

I sidste ende er kunderne dem, der vil have brug for bevis for visdommen i Relativitets metode. Som de fleste raketfirmaer før deres første lancering, sælger Relativity sine kunder på testdata og det team, der er blevet samlet. I sidste ende er det en overbevisning og et trosspring, som vi skal henrette, siger Ellis. Men ja, den er ret stor. Og bestemt, det er en proces at komme til det.

Nogle kunder er åbenbart villige til at tage det spring. Relativity har allerede offentligt annonceret tre kunder med opsendelser booket til 2021 og 2022: det canadiske kommunikationsselskab Telesat, Washington-baserede Spaceflight (som hjælper med at koordinere satellitrideandele ved større opsendelser) og Thailands mu Space. Ingen siger, at når Relativity viser, at den kan lancere med succes i 2020, planlægger den at øge antallet af flyvninger, den lancerer hvert år til 12 til 24.

Disse former for aggressive tidslinjer er bagt ind i virksomhedens lore. For tre år siden, kort efter at Ellis og Noone hver forlod deres første job fra college på henholdsvis Blue Origin og SpaceX, slog de investor Mark Cuban op via e-mail for at bede om startfinansiering. Beskeden havde emnelinjen Space is sexy: 3D-printning af en hel raket. Cuban, der driver størstedelen af ​​sin forretning via e-mail, svarede fem minutter senere og sagde, at han ønskede at investere 500.000 $. To måneder senere gjorde han det. Ifølge Cuban var det ikke kun det additiv-fremstillingselement, der fangede hans opmærksomhed. Ideen var unik. Jeg ville ønske, jeg havde tænkt over det, siger han. De var kvalificerede, og de var lokale. (Ellis er fra Texas, hvor cubansk bor.)

Siden infusionen har Relativity sat foden på gassen. I det seneste år er det vokset fra 14 personer til mere end 80. Teamet omfatter nu Tim Buzza, en af ​​de første SpaceX-ansatte og tidligere lanceringsdirektør for både SpaceX og Virgin Orbit, og David Giger, en 12-årig SpaceX-medarbejder, som fungerede som senior direktør for teknik for virksomhedens Dragon-kapsel.

Mennesker er stadig i løkken med Relativitys Stargate-printere - for nu i hvert fald. Damon Casarez

Jeg vil ikke regne på Tims parade. Jeg ønsker ham det bedste, men fra et ingeniørmæssigt perspektiv giver det absolut ingen mening for os.

Ellis, frontfiguren for at ansætte og rejse kapital, ser ikke ud til at have problemer med at vinde folk på alle niveauer. Han har fået en plads i Det Hvide Hus' National Space Council Users Advisory Group, og kontrakter og kontanter strømmer ind i virksomheden. Relativity har afsluttet en 35 millioner dollars serie B-finansieringsrunde, opnået en aftale med NASA om at teste dens motorer i Stennis Space Center i Mississippi (det samme anlæg, hvor dens autonome fabrik i sidste ende vil gå), og modtaget tilladelse til at lancere på en af ​​de mest konkurrencedygtige lanceringssteder i verden: Floridas Cape Canaveral.

Dette sidste kup, annonceret i januar, sætter Terran 1 i kø for at blive lanceret fra det hellige Launch Complex 16, som engang var vært for Titan-missilopsendelser, Apollo-programmet og Gemini-programmet. Sådanne højprofilerede tiltag har tvunget Relativitys navn ind i samtaler om virksomheder som SpaceX, Blue Origin og United Launch Alliance, tidligere de eneste tre outfits med tilladelser til at løfte fra Cape Canaveral.

At printe en raket betyder at lave testsektioner, skære dem i stykker og teste nogle flere. Fik vi nævnt test? Damon Casarez

Udskrivningen tager fart

Relativitet er langt fra alene i håbet om, at 3D-printning vil drive den ind i eliten af ​​rumfart. Startups, herunder Virgin Orbit, Firefly og Electron, kæmper alle for at bevise, at de ligesom Rocket Lab har det, der skal til for at opsende små satellitter til rummet. Selv etablerede virksomheder som Aerojet Rocketdyne forsøger at bevise, at 3D-print er på niveau med - eller endda mere pålideligt end - traditionelle fremstillingsteknikker.

Men ingen går så hårdt og hurtigt til det som Relativitet. Aerojet bygger motorer til regeringskontrakter og menneskevurderede raketter som NASAs Space Launch System, som skal være ekstra konsistente og pålidelige. Virksomheden siger, at mere end 60 % af dets forskning og udvikling til 3D-print ikke har været andet end at etablere en database over de kemiske og strukturelle egenskaber af forskellige materialer. Andre kan lidt springe over det, og det er deres ret til at gøre det som en risikoaccepterende holdning, siger Jeff Haynes, Aerojets senior manager for avancerede programmer.

I modsætning hertil, ved Relativity, hvis vi sætter en fuldt printet motor på teststanden, med succes affyre den og derefter flyve den, er det succes for os, siger Noone. Du kan skrive hundredvis af sider med specifikationer, der fortæller dig, hvordan du kommer dertil, og hvordan du fremstiller det, men vi har vores måder at gøre det på. Jeg ønsker ikke at blive hængt op på at skabe specifikationen i stedet for bare at prøve noget og demonstrere, at det virker.

At bevæge sig hurtigt og bryde tingenes mentalitet ville føre til mange søvnløse nætter for de fleste raketdesignere. Virgin Orbit, en konkurrent til Relativity's, har additiv-fremstillede dele på sin første LauncherOne-raket, men virksomheden er glad for at gå let på trendy teknologi. LauncherOne-køretøjsmotoren bruger lige nu meget pålidelige fremstillingsmetoder, som NASA har bevist siden 50'erne og 60'erne, fordi [prioritet] nummer et for første-lanceringsbiler er pålidelighed, siger Virgin Orbits avancerede produktionschef, Kevin Zagorski.

De andre virksomheder, der giver additiv fremstilling en chance, løber fra Jeff Bezos' Blue Origin - hvor Ellis havde en hånd med at købe virksomhedens første metal 3D-printer under en af ​​hans tre praktikophold der - til Launcher, en lille startup, der hævdede at have lavet verdens største 3D-printede raketmotor. Heavy hitters som SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance og ArianeGroup er også gået ind i 3D-printringen.

De grunde, de fleste af disse organisationer giver til at bruge teknikken, er todelte: du kan bygge noget med færre dele og justere design hurtigere. I starten så Rocket Labs Beck, at additiv fremstilling fik et dårligt ry, fordi det ikke blev brugt effektivt. Nogen ville tage en subtraktivt fremstillet [dvs. bearbejdet] komponent og forsøge at 3D-printe den. Det ville blive dyrere og mere tidskrævende, siger han. Men som enhver ny teknologi handler det om at designe til processen. Hvor 3D-printede dele virkelig udmærker sig, er hvor du har virkelig høj kompleksitet, og du slår mange dele sammen til én.

På sin side kan Relativity prale af, at Terran 1 kun vil have en hundrededel så mange dele som en standardraket. Dens motor, Aeon 1, er lavet af kun tre dele, der er sat sammen.

Hvor meget af dette er et PR-stunt, er dog svært at finde ud af. At annoncere, at du har lavet det første, uanset hvad der er fristende, især for små startups. Relativitet hævder for eksempel at have bygget den største metal 3D-printer - det samme gør Sciaky og Titomic, to industrielle hardwarevirksomheder, der ikke er i rumbranchen. Alle søger at prøve at skelne mellem og prøve at få fat i nogle overskrifter, siger Beck. Hvis nogen vil tale om at 3D-printe noget, så fint, men det er lidt morsomt.

Selvom det ikke er praktisk at 3D-printe en hel raket, er jeg virkelig overbevist om, at det under alle omstændigheder vil resultere i nyttige spin-offs, siger Dan Erwin, leder af astronautisk teknik ved University of Southern California. Erwin drev USC's raketlaboratorium, da Ellis og Noone studerede der, men har ikke arbejdet med dem siden. Jeg har intuitionen om, at det her er en af ​​den slags 'Hvis du bygger det, kommer de', siger han. Uanset om Relativity affyrer en raket til næste år, tvinger det en langsomt bevægende industri til at se nærmere på og måske fremme en teknologi, der har brug uden for rumflyvning. Slutresultatet er måske ikke andet end en ny type printer. Eller det kan være den Mars-bundne raket, vi alle er blevet lovet. Livet er for kort til bare at vente på, at fremtiden sker hurtigere, siger Ellis. Vi burde skabe det.

skjule