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打印火箭,飞向火星

时间: 2018年04月24日 | 作者: Lee Billings | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
他们的终极目标是通过在未来的火星殖民地上打印和发射火箭,让人类在多个行星上生活。


建造火箭的最好方法是什么?

对于蒂姆•埃利斯(Tim Ellis),太空发射服务初创公司 Relativity Space 的首席执行官来说,答案很明显:把它打印出来。

埃利斯与乔丹·诺恩(Jordan Noone)曾在蓝色起源公司(Blue Origin)共事过,这是由亚马逊身家上亿的首席执行官杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)创立的一家火箭公司。2015 年,埃利斯和诺恩一起建立了 Relativity Space。诺恩还在伊隆·马斯克(Elon Musk)的 SpaceX 公司工作过。蓝色起源和 SpaceX 公司都利用 3D 打印技术——也就是添加制造,来为他们的运载火箭建造一些部件和工具,但两者目前都仍然依赖更传统的技术制造火箭的大部分部件。考虑到 3D 打印的组件可以更轻、更强、也更简便,埃利斯和诺恩抓住了这个机会。他们决定利用这个技术来建造符合他们期望的更便宜、更好的火箭,让火箭发射进入轨道的成本更低廉。他们通过设计定制打印头和软件来实现这样颠覆性的梦想。

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Relativity Space 3D 打印的火箭发动机,Aeon 1。图片来源:Relativity Space

经过一段时间的隐秘筹备,包括募集了 4000 万美元的风险投资并在洛杉矶建立了占地 20000 平方英尺的设施,Relativity Space 现在正在打印和测试更大的火箭部件。该公司的专利火箭发动机号称只由两部分就能代替由标准工业技术建造的 2,600 个部件。就在上个月,该公司与 NASA 斯坦尼航天中心(NASA Stennis Space Center)签署了一份价值 3000 万美元、长达 20 年的协议,拿到了一个 25 英亩的火箭测试综合设施的独家使用权。从理论上来说,该设施的四个测试站可以让 Relativity Space 按自己的速度制造足够多的引擎,每年可建造 36 枚火箭,而且这种合作关系还允许公司将其在斯坦尼航天中心的占地面积扩大 10 倍。这样的发展多半宜早不宜迟,因为其他公司同样雄心勃勃,计划用成千上万颗新卫星填充近地轨道,进行通信、近地观测和更多的工作。

Relativity Space 完全由 3D 打印制造的火箭还没建好,更别提升空了,但埃利斯相信公司最早将在 2020 年推出它的第一个火箭,之后不久就会用于商业货运航行。他说,如果一切顺利,这只是公司的第一步,他们的终极目标是通过在未来的火星殖民地上打印和发射火箭,让人类在多个行星上生活。

《科学美国人》(Scientific American)近日与埃利斯一起聊了聊他的 Relativity Space 公司的计划,包括近地轨道中中型卫星的新兴市场,以及该公司对在火星上生产火箭这一产业的长期愿景。

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蒂姆•埃利斯(Tim Ellis),太空发射服务初创公司 Relativity Space 的首席执行官 图片来源:GeekWire

《科学美国人》(以下简称SA): Relativity Space 与其他火箭公司有何不同?

蒂姆•埃利斯(以下简称 TE):  Relativity Space 的核心任务是创造一个全新的、从根基上更优秀的制造和发射火箭的过程。我们正在努力将火箭设计和生产过程自动化,打印出尽可能多的火箭构造。我们把 3D 打印看作是所有火箭生产和航天制造的未来,因为它减少了对劳动力的需求,并且化繁为简。目前公司正在开发一个将软件、机器学习、冶金和世界上最大的金属 3D 打印机结合在一起的平台,我们称之为“星际之门”(Stargate)。我们目前拥有的专利打印头(printheads)、软件和金属沉积工艺,可以让“星际之门”制作直径 10 英尺,高 20 英尺的部件,而且比传统的 3D 打印机快 20 到 30 倍。现在,它的规模相当于我们在洛杉矶总部的大楼。随着时间的推移,它的硬件和软件将以更快的速度打印更大的东西。

SA: 现在能打印得多快?

TE: 我们目前可以在 30 天内从 0 开始造出一个近 100 英尺高,7 英尺宽(约 30 米高、2 米宽)的火箭,所有的部件都由 3D 打印而成。一旦零件打印出来,我们的目标是在下一个 30 天内完成组装、测试、集成和发射火箭。因此,我们希望能在 60 天内从原材料起步,制造出一个完整的火箭。我们正在使用“星际之门”制造我们自己的运载火箭——Terran 1,以及一个叫做 Aeon 1 的火箭引擎。这将是我们发射服务的基础,初步将运载 1250 公斤重的卫星进入近地轨道。我们计划在今年年底前宣布我们的发射地点,预计第一次全面、全性能测试飞行将于 2020 年晚些时候进行,商业服务将于 2021 年初开始。

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火箭 3D 打印平台“星际之门”的内景   图片来源:SpaceNews

SA: 发射需要多少钱?

TE: 我们的火箭发射需要 1000 万美元。这个价格与更大的火箭(如俄罗斯的联盟号、欧洲的维加和印度的极地卫星运载火箭)相比仍然具有很高的成本竞争力。那些是我们在短期内将遇到的对手。一些其他的初创公司正在提供更小的发射火箭,比如火箭实验室(Rocket Labs)的“电子”火箭(Electron rocket),它可以载荷 150 公斤,但是我们的火箭可以一次带多个有效载荷,平均到每颗卫星上的价格可能会便宜两到三倍。

SA: 看来你需要发射大量的卫星才能保持收支平衡。大多数卫星都低于 1250 公斤,或者更轻,像立方体卫星(CubeSats)和其他微型卫星,对吧?这方面的需求怎么满足?

TE: 总的来说,我们观察到行业内对大卫星的需求比小型卫星更高,只要你能以低廉的价格建造和飞行就行。随着竞争的加剧,我们看到卫星越来越大——更大的光学部件、更大的传感器和更大的太阳能电池阵列提供了更好的性能。但我们也看到越来越多的由卫星组成的“星座群”在近地轨道上进行通信或地球成像,每一个“星座群”都由几十或数百个、甚至数千个中型航天器组成。这是航天工业巨大变化的一部分:从将近 36000 公里高的地球同步轨道上的非常大的卫星,转变为到飞行高度不到 1000 公里的中型卫星的群组。

SA: 是什么推动了这种需求, Relativity Space 究竟准备如何满足这一需求?

TE: 减少通信延迟的迫切需求是其中的一个重要部分,将延迟从数百毫秒降低到数十毫秒,使得许多靠卫星提速的应用程序以一种前所未有的方式与地面选项进行竞争。对于近地轨道,你需要大量的卫星在多个轨道飞行,以获得频繁完整的覆盖——你真的必须覆盖全球,这样就可以收集和传递大量的数据。例如,SpaceX 公司计划用其猎鹰号火箭来创建 Starlink——由数千颗卫星组成的“星座”,为全球提供高速宽带连接。但 SpaceX 并不是唯一一家拥有此类计划的公司。与 SpaceX 竞争的对手可不一定会想使用猎鹰号火箭。因此,我们正在进行两项服务,一种是在旧卫星失效的情况下用新的中型卫星对“星座”进行重新补给,另一种是在一次发射中部署完成由 50 至 100 公斤的小型卫星组成的整个环行轨道。我们能很划算地完成这两项任务,而且已经收到了超过 10 亿美元的来自商业公司和政府的意向和订单。由于保密协定,我们不能谈论太多这方面的事情,因为卫星的“星座群组”市场竞争太激烈了。但是后续我们将会公布我们的合作伙伴。

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近地轨道上的卫星“星座群”  

SA: 很明显,你正在考虑长远的目标。你在 NASA 斯坦尼航天中心的 20 年租约是否意味着你已经在计划 2030 年了?

TE: 准确地说,协议包括 10 年的协议和 10 年的期权,在这 10 年期权内我们可以选择继续或不继续。这实际上是 20 年,因为我们想留在这里继续把事业发展壮大!我们设计和制造过程的重点是它可以很容易地放大或缩小。因此,无论市场走向何方,只要通过机器人技术和软件自动化来简化这一过程将是未来的目标,我们都将利用这个地方继续开发最有效的、最好的运载工具。最终,我们想用我们的方法来支持人类在火星上长驻。

SA: 为什么是火星?你认为Relativity Space在这方面能起到什么作用?

TE: 这就是我们成立公司的原因。SpaceX 的马斯克曾说:“嘿,我们想去火星,在那里建立一个全新的社会。”多年来在 NASA 的帮助下,他们取得了惊人的成果和进步。但我想说的是,除了 SpaceX 以外没有其他公司站出来为这一目标共同努力。我们认为这需要更多的公司,至少几十个,加入这个计划并为这一长期使命做出贡献。现在的大部分研究似乎都集中在弄清楚如何把人送到火星上,但也需要有人关注如何利用一个非常小的劳动力,在另一个星球上建立一个完整的永久性社会。这就是 Relativity Space 将要关注的问题:如何使用最少的劳动力快速地实现可持续发展和扩张。想想你能在火星上建立什么样的工厂。你当然希望它是轻量级的,具有一个恰到好处的空间,并且在面对不熟悉的环境时,它足够灵活,可以做出各种各样的产品。我刚刚描述的恰恰就是 3D 打印机,这就是我们想要构建的。我们在地球上的工厂里制造火箭和发动机,所做的一切其实都是能够指导我们在火星上做出同样成就的基石。最后,我们想让火箭从火星飞回地球,在火星上的社会需要自给自足必须涉及到商品的生产和出口。如果这种情况真的发生了,它将成为人类历史上一个关键的转折点。当然,在那之前你可以制造其他工业产品来帮助在另一个星球上建立完整社会。在追求这一目标的同时也可以顺便在地球上创造出一个真正了不起的企业。

翻译:李杨 编辑:魏潇