Relativity Space распечатает ракету целиком

Relativity Space распечатает ракету целиком

В аэрокосмической индустрии ежегодно создается множество новых компаний, однако, среди них выделяется Relativity Space. Компания, возглавляемая двумя молодыми предпринимателями, которые до этого работали на Blue Origin и SpaceX, стремится к производству ракет, созданным при помощи аддитивных технологий, уменьшая количество деталей в орбитальной ракете со 100 000 до менее, чем 1000.

На переднем плане слева отпечатанный тестовый образец.

Основанная в конце 2015 года, Relativity оставалась в скрытом режиме до прошлого года, но теперь она начинает выходить из тени. И при этом калифорнийская компания раскрывает свои амбициозные планы. В один прекрасный день, компания намерена напечатать ракету на Марсе для возвращения на Землю. «У нас довольно широкое долгосрочное видение», — признал Тим Эллис, один из основателей Relativity, в интервью Ars Technica.

Прежде чем компания достигнет Марса, Relativity Space должна сначала успешно создавать ракеты на Земле. Эллис сказал, что Relativity добилась значительного прогресса в достижении этой цели, уже отпечатав компоненты двигателя для тестовых прожигов. На сегодняшний день компания выполнила более 85 огневых испытаний двигателей различных видов.

Соглашение с NASA

Relativity Space объявила в среду, что она подписала 20-летнее партнерство с NASA Stennis Space Center (NASA SSC) для эксклюзивной аренды 25-акрового испытательного комплекса E4 в Южной Миссисипи. Четыре тестовых стенда на территории комплекса позволят Relativity разрабатывать и тестировать достаточно двигателей для сборки 36 ракет в год, а соглашение включает в себя возможность для компании в конечном итоге расширить свое присутствие до 250 акров.

Тестовый полигон на территории комплекса E4 NASA SSC.

Эллис сказал, что это первое соглашение о коммерческом космосе, подписанное с Stennis Space Center — согласно этим соглашениям, объекты NASA, связанные с запуском, могут использоваться и частным сектором. Космический центр Кеннеди использовал аналогичные соглашения, такие как сделка, позволяющая SpaceX использовать Launch Complex-39A. Это соглашение позволяет Relativity тестировать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, заявил Эллис. Компания оценивает партнерство в 30 миллионов долларов.

В отличие от SpaceX, которая построила новые объекты для тестирования двигателей в Макгрегоре, Техас или Blue Origin, у которой есть испытательный полигон в Западном Техасе, Эллис сказал, что он стремился к партнерству с NASA, чтобы избежать подобных расходов на инфраструктуру. «С этим партнерством нам действительно не нужно изобретать велосипед, — сказал он. «Поскольку у нас есть право на эксклюзивное использование тестового комплекса, нам не нужно запрашивать разрешения, когда мы хотим что-то протестировать».

Движущая сила

Relativity Space далеко продвинулась в разработке ракетного двигателя Aeon 1, в котором используется смесь кислорода и метана. Двигатель Aeon имеет скромную тягу в вакууме около 19 500 фунтов, что меньше 10% от двигателя Merlin 1D, используемого в ракете Falcon 9. Однако, это почти в четыре раза мощнее, чем небольшие двигатели Rutherford, которые стоят на ракете Electron от Rocket Lab меньшего размера.

Испытание двигателя Aeon
Главное в двигателе Aeon — это не столько его производительность, сколько отсутствие сложности при изготовлении. Эллис рассказал, что двигатель может быть напечатан менее чем за 20 дней, что ускоряет цикл разработки и тестирования. Кроме того, двигатель Aeon имеет всего 100 частей, по сравнению с несколькими тысячами для большинства других двигателей.

Stargate — самый большой принтер для печати металлом, разработанный в компании Relativity Space.

Ракета Terran скоро выйдет из лабораторных стен и устремится на орбиту, приближая начало коммерческой эксплуатации. Для своей первой ракеты Relativity планирует объединить девять двигателей Aeon на первой ступени с одним двигателем на верхней ступени, что уже становится стандартом. РН Terran нацелена на ту часть рынка, которая находится между ракетами класса Electron от Rocket Lab (и другими) и намного большим Falcon 9. Она имеет запланированную грузоподъемность в 1,250 кг для доставки на околоземную орбиту, стоимость запуска составит 10 млн. долларов. Тестовый запуск в настоящее время запланирован на конец 2020 года, а коммерческие запуски начнутся в 2021 году. Как всегда, графики разработки ракет подлежат задержке.

Долгосрочное видение

У компании есть четкое видение, что, в конечном счете, все ракеты будут печататься в больших 3D принтерах, потому что сегодня самые большие затраты — это стоимость человеческого труда. «Мы действительно чувствуем, экстраполируя в будущее, если мы сможем использовать 3D-печать для 90-95 процентов компонентов ракеты, у нас будет ракета-носитель, которая станет болезненным ударом для конкурентов», — сказал Эллис. «Это наиболее дешевая ракета из возможных».

До Relativity Эллис был интерном, а затем работал в Blue Origin, помогая развивать ракетный двигатель BE-4. Он участвовал в создании бизнес-кейса для внедрения 3D-печати металлами в производственный процесс. Соучередитель Relativity, Джордан Нун, работал в SpaceX по программе SuperDraco, которая использовалась для космического корабля Crew Dragon.

И Тим, и Джордан были заинтересованы в 3D-печати и чувствовали, что две из самых передовых компаний в аэрокосмической индустрии Blue Origin и SpaceX не продвигают технологию достаточно далеко. Поэтому они основали Relativity. Они считают, что трехмерная печать не только способна значительно снизить затраты, но и позволит им быстро переделывать и масштабировать новые конструкции.

Дешевле, быстрее, легче

3D-печатные детали автомобилей теперь обычное дело. До сих пор Эллис считает, что игра стоит свеч. По его словам, создание и 3D-печать движка «немного легче, чем ожидалось». Металлы, которые они используют для деталей камеры двигателя, в зависимости от их прочности и структуры, на самом деле на 20 процентов прочнее и имеют более высокую пластичность, чем аналогичные сплавы, не напечатанные с использованием 3D-процесса.

Автоматизация позволила Relativity оставаться очень небольшой компанией — она ​​все еще имеет только 17 штатных сотрудников в то время, когда начинает выполнять летные испытания. Турбонасосы приближенные к полетной конфигурации будут добавлены к испытаниям двигателя в этом году. Эллис сказал, что к концу этого года штат сотрудников расширится примерно до 45 человек, поскольку расширится и производство.

На Земле

Сопла ракетных двигателей внешне выглядят очень просто — чаще всего как металлический пустотелый конус с плавными обводами. Однако они должны выдерживать крайне высокую температуру и давление, поэтому во многих случаях в ракетных двигателях используют активное охлаждение — сквозь тонкие каналы в стенках сопла непрерывно прокачивается топливо (которое потом попадает в камеру сгорания). Создание ракетных сопел с множеством тонких каналов в стенках, сохраняющих при этом механическую прочность, — нетривиальная производственная задача, которая требует сложного оборудования и много стадий обработки.

Трехмерная печать, возможно, будет идеальной заменой трудоемким манипуляциям, поскольку она позволяет создавать устройства очень сложной формы всего за одну операцию. В 2015 году инженеры NASA решили сэкономить средства налогоплательщиков и напечатать полномасштабное сопло для ракетного двигателя с помощью метода селективного лазерного спекания.

«Аддитивные технологии дают космической отрасли те же преимущества, что и в других сферах: это простота, возможность печати изделий любой конфигурации. Особенно это актуально для печати сопла ракетных двигателей»

Александр Громов, профессор НИТУ «МИСиС»,
руководитель проекта по разработке технологий трехмерной печати

Ракетный двигатель, напечатанный специалистами NASA

Пока государственные космические гиганты только приступают к экспериментам, «частники» уже внедряют аддитивные технологии в серийное производство. Новозеландская компания RocketLab использует трехмерную печать в изготовлении элементов ракетного двигателя Rutherford — для ракеты-носителя Electron.

Новозеландцы печатают камеру сгорания и сопло с рубашкой охлаждения, где должно циркулировать ракетное топливо во время работы двигателя. Двигатель Rutherford испытали сначала на стенде, затем в ходе космического запуска. Первый пуск ракеты сорвался из-за сбоя в системе связи, а второй, в январе 2018 года, прошел успешно.

Однако по меркам больших ракет двигатель RocketLab можно считать карликом, он имеет тягу около 2,5 тонны и массу около 25 килограмм. Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку массой лишь 200 килограммов, на первой ступени ракеты Electron требуется девять таких двигателей.

Несколько металлических 3D-печатных элементов используется в значительно более мощных двигателях Merlin на тяжелой ракете Falcon 9 компании SpaceX. Однако ключевые элементы этого двигателя изготавливают с помощью вполне традиционных методов — фрезеровки, литья под давлением, горячей формовки.

Метод трехмерной печати металлом

Заведующий кафедрой металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС» Алексей Солонин объясняет, что если печать пластиком технически достаточно проста — нужно лишь нагреть пластиковые «чернила» и можно печатать, то для печати изделия из металла требуется тщательно подготовленное сырье.

«Подготовка материалов для печати в этом случае может быть достаточно непростой. В первую очередь, частицы порошка для металлической печати должны быть примерно одного размера, без сильного разброса. Сами частицы должны быть по форме близки к сферическим, порошок должен обладать хорошей сыпучестью. От этих качеств порошка в очень большой степени зависит качество конечного изделия», — говорит он.

Наиболее распространенный метод трехмерной печати металлом — метод лазерного спекания — заключается в том, что из контейнера слой за слоем насыпается порошок из частиц размером 40–60 микрон. «Этот слой должен быть очень ровным, поэтому так важно, чтобы частицы были одинакового размера и формы», — отмечает Солонин. Затем лазерный луч «вычерчивает» контур изделия, и те частицы, которые попали под лазерный луч, сплавляются. Затем насыпается следующий слой, и так послойно формируется деталь. В некоторых случаях вместо лазерного луча может использоваться пучок электронов.

Стартап Relativity Space намерен создать безлюдную ракетную фабрику

В области строительства спутников пока идут отдельные эксперименты по производству деталей с помощью аддитивных технологий. В частности, по заказу Европейского космического агентства строились небольшие параболические антенны, механизмы развертывания солнечных батарей, элементы системы получения изображений, корпус малого спутника стандарта CubeSat.

Трехмерная печать в этом случае позволяет снижать массу аппарата, уменьшает общее количество деталей, открывает новые возможности в конструировании деталей на основе топологической оптимизации, позволяет заменять шлейфы проводов на токопроводящие нити, протянутые прямо через стенки конструкции.

Элемент механизма раскрытия солнечных батарей, напечатанный на 3D-принтере

Прототип спутниковой камеры, напечатанный на 3D-принтере

Спутниковая антенна, напечатанная на 3D-принтере