世界上最大的3D金属打印机正在生产火箭 | 智能技术

发布日期:2019-11-14 10:00
世界上最大的3D金属打印机正在生产火箭,相对论空间正在用附加制造重新发明火箭技术。

我永远不会忘记第一次看到火箭在我眼前出现的情景。

2018年10月,我站在一个小房间里,看着一个巨大的人工智能机械臂优雅地围绕着一个巨大的金属形状移动,当我看着它时,它正迅速变大。手臂精确地沉积了一股液态铝,一层一层地建立起结构,而另外两个手臂则等待着,准备好了精加工工具我正站在UpGeST火箭公司。

对论空间的洛杉矶总部,凝视着它的第一辆运载火箭TelaN 1火箭的敬畏。我最近才来到相对论公司,成为该公司航空电子部门聘用的第一位工程师。相对论给我以前的工作带来了很大的变化,尽管我曾为其他公司工作过,也制造了火箭但他们是在大房间里这样做的,面积达数千平方米,足以容纳庞大的制造工具,如金属辊、圆顶旋转器和搅拌摩擦焊机。不过,在相对论公司,大多数运载火箭都是建在我站着的小房间里,这个房间只有9米宽。

房间里有世界上最大的金属3d打印机stargate。相对论发明了星门打印机,目的是为了大胆地3D打印出一整枚火箭的飞行轨迹。我们希望我们的火箭最终能飞得更远。也许有一天我们会把我们的3D打印机运到火星上,这样就可以在这颗红色星球上建造火箭从那里,谁知道他们会去哪里。

这听起来疯狂吗?也许是疯狂的野心但很多人对我们的想法很认真。从2021年初开始,四个商业客户已经签约发射到地球轨道美国空军批准了我们在卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)建造一个发射场的请求。卡纳维拉尔角是佛罗里达州著名的设施,曾发射过许多历史性的载人航天飞行任务。美国宇航局在密西西比州圣路易斯湾的斯坦尼斯航天中心租了一栋大楼给我们,相对论公司将在那里建一座工厂,每年能生产24枚火箭。这样的大规模生产将代表火箭技术的革命。通过采用添加剂制造,即3D打印,我们相信我们可以实现它。

发射火箭进入轨道是一个二元命题:要么成功,要么失败。在从发射台到太空大约10分钟的飞行中,一系列令人难以置信的系统必须完美地协同工作,比如管道、航空电子、软件、烟火和气动。如果任何一个组件出现故障,整个努力都可能崩溃。

火箭的成本不是由它的原材料决定的,它们相当便宜。它很大程度上是由将这些材料加工成可用组件并验证它们是否能用于飞行所需的人力驱动的。有两种方法可以降低这些劳动力成本:你可以减少火箭的零件总数,从而减少所需的劳动力;或者你可以改变制造工艺,以减少对人类大脑和手的需求。

Blue OriginSpaceX, 和 Virgin Orbit—在新的商业航天领域处于领先地位的公司已经尝试将这两种方法结合起来,以降低劳动力成本。但是,这些公司对传统的“亚拖拉”制造技术的信赖,在这些技术中,原料被切断,形状被改变,限制了它们的选择。公司自动化的供应链很多,但仍有许多零件通过复杂的制造系统进行跟踪。自动化制造工艺减少了人工劳动,但它需要大量的自定义工具,以匹配特定火箭的尺寸。



简化:相对论空间使火箭科学看起来很容易。它的aeon引擎,显示在侧视图[左]和底部[右],由三个3d打印部件组成。一个经典的火箭发动机是由数千个部件组装而成的。

相对论通过利用添加剂制造来打印复杂的部件,使用单一操作将原材料转化为成品,从而迎面应对劳动力挑战这种方法极大地减少了零件数量,因为我们的一个组件通常相当于通过传统制造方法制造的几十个小零件。我们的过程也依赖于我们的3D打印机,而不是固定的工具,这使我们能够灵活和创造性我们可以在相对较少的成本或时间损失的情况下进行较大的设计更改。

Rocketry的经营规模与其他制造业不同。假设大众汽车在德国沃尔夫斯堡的工厂每天生产约3500辆汽车。相比之下,任何一家能在一年内制造100枚火箭的航空公司都将获得巨大成功rocketry认为的高产量是其他行业相对较低的产量这意味着,添加剂制造业可以对该行业产生重大影响因为一年内可能只需要几十或几百个特定的零件,所以投资于高度优化的工具来大量生产该零件并不一定有意义,因为在零件过时之前,工具可能不会为自己支付费用。

使用3D打印机制作新零件几乎不需要任何前期成本。例如,我们的一台星际之门打印机可以生产直径为2米的推进剂罐,然后生产直径为3米的推进剂罐,而且停机时间最少。我们不必重新配置整个生产设施来制造队列中的下一个硬件,而只需进行一些软件配置更改。

我们公司的共同创始人乔丹·诺恩和蒂姆·埃利斯在洛杉矶南加州大学火箭推进实验室的大学里相识。在2015年他们重归于好并形成相对论之前,没有人在蓝源的SpaceX和Ellis工作过。

他们两家前公司都使用添加剂制造来制造一些火箭部件,但诺恩和埃利斯希望采取更进一步的方法。他们看到了一个彻底反思火箭设计和制造方式的机会。他们认为,通过简化设计和生产流程,还可以简化制造火箭的脑力劳动,即“认知开销”。



从开始到结束:上图中,工程师们关注着印刷过程,这是高度自动化的。

火箭通常有大量的独立部件:例如,航天飞机系统由250万个运动部件组成。所有的零件必须正确地装配在一起,不能意外地加在一起形成超差装配。每个零件都必须制造、测试、安装和再次测试。如果一个零件需要修理,就要做更多的工作。所有这些过程都需要工程师、技术人员、工具和文书工作。

使用“附加制造”,可以设计包含多个零件的零件,这些零件通常是单独制造和组装的。更少的部件意味着更少的接口和更少的出错机会。

我们设计和制造火箭发动机的方法就是一个很好的例子。在一个典型的火箭发动机中,你会发现一个喷射器,当燃料进入燃烧室时,燃料和氧化剂混合,点火器开始燃烧。燃烧产生热气体,通过喷嘴产生推力这听起来原则上很简单,但现实却异常复杂。想想Rocketdyne的F-1发动机,在美国宇航局的阿波罗计划中发射了土星V火箭,它包含一个燃烧室和喷嘴组件,由5000多个单独制造的零件组成(不包括喷油器)。

相对论的引擎aeon 1是另一回事。为了制造引擎,我们采用了商业3D打印机,使用一种叫做直接金属激光烧结的工艺,在这种工艺中,激光将金属粉末颗粒熔合在一起,逐层创建所需的结构。最简单的发动机变型是一个压力供给的版本,使用加压气体将燃料和氧化剂从燃料箱推到燃烧室中,通过按压打印机的按钮三次(打印三个部分)来制造。我们将更进一步:我们预计商业打印机将很快上市,这将使我们能够打印喷油器,点火器,燃烧室和喷嘴作为一个单一的部分。



白手起家:Jordan Noone,相对论空间联合创始人,站在公司最新的3D打印机前,为人族1号火箭建造一个燃料箱。加法制造方法使得Noone的团队可以很容易地重复他们的设计。

我们使用压力供给发动机进行开发和测试;最终飞过的发动机将使用涡轮泵代替简单的加压气体来移动燃料(液体甲烷)和氧化剂(液态氧)。这些涡轮泵更适合装有大油箱的火箭,将增加零件数量,但制造过程仍将比以前简单得多。

许多火箭发动机使用一种称为再生冷却的技术,在这种技术中,液体燃料通过燃烧室周围的冷却通道被抽走吸走热量在传统的制造和装配过程中,厚铜片在施加压力形成燃烧室内部轮廓的同时,通过快速旋转成形。然后将其碾磨,在外部形成复杂的冷却通道然后将坚固的外护套钎焊到铜结构上,并将燃油进气歧管焊接到外护套上整个发动机总成需要精加工,以保持紧密公差的地方,东西装配在一起每一个过程都是设计或制造错误的机会AEON发动机也使用再生冷却,但其燃烧室是在一个单一的打印。更重要的是,三维打印使我们能够结合更多的微小冷却通道,而不是可以通过铣削金属。



第二阶段:联合创始人蒂姆·埃利斯(左)和乔丹·诺恩检查一个成品:人族1号火箭的第二阶段,由燃料箱、发动机和喷管延伸部分组成。

在试验台上设计、制造一台发动机通常是一项艰巨的任务使用传统方法,这个过程需要10到12个月。一个重大的重新设计几乎需要同样长的时间但是我们可以更快地迭代。在我们对aeon引擎的初步测试中,我们在14个月内试用了5个版本,引擎的点火次数超过了100次。

正如美国宇航局宇航员唐纳德·佩蒂特(Donald Pettit)在其发表在美国宇航局网站上的精彩文章《火箭方程式的暴政》中所解释的那样,走出地球引力井并不是一件容易的事情。火箭基本上是空船,等待加油。佩蒂特解释说,一罐苏打水质量的94%来自苏打水,6%来自苏打水。航天飞机的外部燃料箱是96%的燃料和4%的燃料箱,这是对苏打罐技术的显著改进,当你考虑到燃料箱装有低温液体时,这些液体必须以每秒1.5公吨的速度泵出。

整个人族1号火箭设计简单。储存燃料和氧化剂的储罐是“自生加压的”,这意味着一小部分汽化燃料和氧化剂被泵回各自的储罐中,以代替液体排出时的体积。为了继续Pettit的类比,想象一个未打开的苏打罐,尽管罐壳很薄,但它是坚硬而坚固的;不过,一旦打开罐,它就可以轻易地被压碎。类似地,火箭利用内部压力来帮助制造一个轻而坚固的飞行器。

Telman 1坦克上的这些自动系统消除了许多火箭在其燃料和氧化剂罐内使用的特殊压力容器的需要。这些压力容器将惰性气体(如氦)保持在极高的压力下,直到它们准备释放到容器中以提供内部压力这些飞船是众所周知的难以设计和制造的系统,在过去十年中曾多次发生火箭故障,包括2015年SpaceX猎鹰9号火箭爆炸。

使用金属激光烧结的商业打印机适合制造我们的发动机,但它们不适用于生产坦克。这些打印机的工作原理是选择性地熔化所需的金属粉末部分,在零件的每一层中产生固体材料。因为粉末床需要平整,而且每层都需要平整,所以打印机的整个工作空间都必须充满粉末,无论实际固化了多少材料。大部分粉末可以回收利用,但有些粉末在每一张印刷品上都会丢失。使用激光烧结打印机生产罐需要不切实际的金属粉末量,而且速度非常慢。



闪耀的踪迹:星际之门打印机是世界上第一台3D打印机,可以制造像火箭燃料箱一样的巨大金属物体。

这就是为什么我们设计和建造了星际之门,我们巨大的3D打印机的另一种类型。它使用了一种称为定向能量沉积的现有技术,但以前所未有的规模运行。打印机将金属丝送入沉积区,利用能量(通常是强大的激光)熔化金属丝,逐层堆积印刷零件。

星际之门只在需要建造结构的地方放置熔化的金属,这大大减少了浪费的材料它使用三个巨大的机械臂,其中一个终止于输出导线的打印机头;另外两个手持完成打印部件的工作工具我们还编写了专有软件来管理将设计转化为机器人手臂详细说明所涉及的“路径规划”。

星际之门有一些限制它的机械臂在打印时通过自由空间移动其工作工具,这意味着可以打印的几何图形受机械臂的运动学约束,它们只能到达目前为止的位置,必须避免与打印的结构碰撞。当金属丝熔化时,焊接过程产生的焊道尺寸设定了打印的最小分辨率。但对于大型压力容器和结构元件,这些限制并不严重。

我们的星际之门打印机是一项新技术,我们相信它开辟了航天制造的新领域。但是这种印刷过程的新颖性也意味着我们不能依靠现有的材料数据或工艺参数来获得高质量的产品。相对论公司有内部的冶金学家,他们正在磨合这一过程,以确保我们的部件符合严格的航空航天硬件质量标准。

在传统的航空航天制造业中,设计变更可能需要近一年的重新调整和调整。由于硬件的改变需要很长时间,航空电子部门通常是航空公司中最灵活的部分。航空电子团队(负责管理火箭制导、导航、通信等的电子设备)习惯于在最后一刻进行软件更改,以解决飞行器其他部件的问题。

相对论的情况完全相反,硬件团队可以在几天内做出实质性的设计更改,仍然可以生产新的坦克或引擎。他们可以如此迅速地修改计划,从而挑战航空电子团队生产印刷电路板(pcb)和建造连接所有电子设备和电线的电缆线束的能力。航空电子设备必须适应不断变化和改进的火箭。

这就是为什么我们设计的人族1号火箭的航空电子设备是尽可能模块化的。我们假设传感器和执行器会被改变,所以我们设计的电子设备将限制这种改变的影响。为了完成这一壮举,我们设计了一些专有的总线方法,将连接器和管脚的数量降到最低。我们尽一切努力减少控制量,这是火箭航空电子设备最不可靠的部分之一,每根电线的每一个连接都是潜在的故障点在可能的情况下,我们使用诸如控制器区域网络总线协议(用于实现微控制器和设备之间的通信)和以太网的标准,从而可以使用现有的工业工具进行测试和开发。这种方法意味着我们不会浪费时间去寻找自定义协议中的漏洞,而是可以专注于确保我们的航空电子设备在其特定用例中的正确运行。

当我们考虑航空电子系统中的每个小的设计选择时,我们的目标是全局优化而不是局部优化例如,我们使用自动化电子设计的标准工具,例如Altium Designer,来创建基本的符合航天要求的电路,我们可以在整个火箭中以多种方式使用这些电路。我们称之为“面包和黄油电路”,并将其用于电压转换器、处理器、传感器接口和其他组件。当我们的工程师解决一个新问题时,他们是在已经完成的工作的基础上,而不是从头开始。虽然这听起来像是一种常识性的方法,但你会惊讶地发现有多少火箭包含复杂的电路设计,仅仅是因为不同的工程师以稍微不同的方式解决了相同的问题。





构造:一个打印头[顶部]沉积金属线并将其熔化到适当的位置,以建立一个油箱,一行行[中间]油箱连接到发动机和喷嘴延伸部分[底部],形成火箭的第二级。

一个例子可以在我们的固件中找到。对于我们航空电子设备内部的通信,我们并不总是使用针对多氯联苯优化的协议,这将在性能和质量上带来微小的好处。相反,我们有时会使用一个协议,我们也使用这个协议进行外部的箱对箱通信。这种方法大大降低了固件开发的成本和时间更重要的是,它为我们的设计解决方案提供了灵活性:我们可以在一个集中的盒子里进行更改,或者我们可以在控制中添加一些最后的传感器,但是软件不知道差异。这种方法对于孤立的航空电子系统来说可能不是最优的,但它在设计、建造和飞行火箭方面给了我们许多其他方面的优势。

相对论首席执行官埃利斯经常提醒我们,在设计和生产公司文化时,我们至少应该像在设计和制造火箭时一样多加考虑。相对论的重点是保持灵活性,因此鼓励实验。这种态度与传统航空公司的文化背道而驰,后者试图尽快锁定自己的设计。我们的目标是在2021年初发射人族1号因此,我们利用我们的模块化方法来交换零件,并不断调整,以优化我们的设计,为世界上第一个3D打印火箭。

“人族1号”高约30米,宽约2米,计划将尺寸适中的卫星送入近地轨道,其成本远低于竞争对手所能提供的价格。它将使较小的公司能够预定火箭的全部有效载荷,并按自己的时间表将其发送到所需的轨道,而不必背负一个较大的火箭,其目的地轨道和时间表由另一家公司控制。

相对论空间可能会绊倒,但我们强调设计和制造的灵活性,我们可以承受多次失败。我们从每一次失败中吸取教训,勇往直前我们正看着火箭的未来在我们眼前实现。