相對論公司：火箭完全靠“打印”

文/李晨風(fēng)

▲ 相對論公司的火箭外觀有點(diǎn)像獵鷹9號(hào)火箭

相對論太空公司的亮點(diǎn)，是首先制造了一臺(tái)全球最大的金屬3D打印機(jī)，垂直整合了人工智能、機(jī)器人技術(shù)和專利自主制造技術(shù)。這家公司自稱，可以在不到60天的時(shí)間里，打造出一枚完整的火箭。據(jù)說這也是全球首個(gè)完全用3D打印的火箭，起名為人族1號(hào)(Terran1)。

一年打印12枚火箭

按照相對論公司的說法，基于3D打印的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法，讓“人族1號(hào)”的零件數(shù)量比傳統(tǒng)火箭少了100倍，這大大加快了生產(chǎn)速度，也減少了裝配過程中出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。因此他們自稱，正在為航空航天生產(chǎn)的質(zhì)量、速度和成本建立一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。

相對論公司利用兩種3D打印技術(shù)制造了人族1號(hào)火箭超過90%的干物質(zhì)。這種專用的大尺寸打印機(jī)外號(hào)“星門”，用來生產(chǎn)火箭一級(jí)和二級(jí)的結(jié)構(gòu)，具體材料是鋁合金?！靶情T”目前可以打印直徑達(dá)3.4米、高達(dá)7.6米的結(jié)構(gòu)，號(hào)稱世界上最大的金屬打印部件。每臺(tái)“星門”打印機(jī)都包括實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控、檢查和后期處理功能，采用計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高度非線性、高度耦合過程。每個(gè)打印部件都具備可追溯性，并且采用多種方式來檢查和識(shí)別零件的機(jī)械性能，如微觀結(jié)構(gòu)、硬度測試、顯微鏡。

通過這種方法，相對論公司建設(shè)了世界上第一條使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)來跟蹤和改進(jìn)火箭制造的可進(jìn)化航空航天生產(chǎn)線。據(jù)說這種工藝可以年產(chǎn)12枚火箭。

“人族”和“星門”，這兩個(gè)奇怪的名字意味著，相對論公司的創(chuàng)業(yè)者們不但是科幻迷，還是電子競技迷?！叭俗濉边@個(gè)詞匯出現(xiàn)在暴雪公司的《星際爭霸》系列游戲當(dāng)中，而“星門”幾乎是所有太空科幻電影當(dāng)中用來穿越宇宙的工具。

人族1號(hào)火箭

人族1號(hào)火箭其實(shí)不算很小，它高度達(dá)到35米，直徑2.3米，已經(jīng)是中型火箭的規(guī)格了。它是一種一次性使用的兩級(jí)運(yùn)載火箭，采用甲烷和液氧為燃料。

人族1號(hào)火箭的第一級(jí)由3個(gè)主要部件組成：發(fā)動(dòng)機(jī)、1級(jí)儲(chǔ)箱和級(jí)間段。儲(chǔ)箱采用共底結(jié)構(gòu)，和結(jié)構(gòu)一樣是打印出來的單件，通過水平焊接與1級(jí)結(jié)構(gòu)連接。一級(jí)裝有9個(gè)Aeon-1發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力可達(dá)100千牛左右，起飛總推力最高可達(dá)900千牛。

人族1號(hào)火箭通過集成在Aeon-1發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱交換器，用氣態(tài)甲烷和氣態(tài)氧對儲(chǔ)箱進(jìn)行自生增壓，無需單獨(dú)的增壓系統(tǒng)，完全避免了在火箭上使用氦。發(fā)動(dòng)機(jī)排列方式為外8內(nèi)1，用電動(dòng)機(jī)械萬向節(jié)控制外圈8個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射方向，實(shí)現(xiàn)推力矢量控制。

▲ 人族1號(hào)火箭的殼體和整流罩

二級(jí)火箭同樣采用共底儲(chǔ)箱，并且承載著有效載荷適配器和整流罩。二級(jí)采用一臺(tái)Aeon-1發(fā)動(dòng)機(jī)，針對高空環(huán)境配用165:1膨脹配管，推力可以達(dá)到128千牛，并能夠多次重新啟動(dòng)，包括規(guī)定的脫軌燃燒。與一級(jí)火箭相似，儲(chǔ)箱增壓也是通過氣態(tài)甲烷和氣態(tài)氧實(shí)現(xiàn)的。

人族1號(hào)火箭采用比較傳統(tǒng)的兩瓣式整流罩，有效載荷適配器上裝有相機(jī)，用來監(jiān)視有效載荷的在軌分離。

▲ 相對論公司的工程師正在測量打印部件的尺寸

人族1號(hào)火箭的設(shè)計(jì)中，高度重視簡化有效載荷的設(shè)計(jì)要求。其不但同時(shí)支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和自定義接口，還可以使用商業(yè)現(xiàn)貨的適配器和分離硬件。

人族1號(hào)火箭的電子系統(tǒng)包括飛行計(jì)算機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）、遙測處理器、自定義數(shù)據(jù)采集和車輛控制處理機(jī)、高速傳感器套件、電池和相機(jī)，等等。這與其他火箭基本類似。

兩地發(fā)射

相對論公司在美國宇航局斯坦尼斯中心的E2、E3和E4試驗(yàn)場建立了試驗(yàn)設(shè)施。其中E2試驗(yàn)場用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件測試，包括燃燒室組件點(diǎn)火。E3測試場是主要發(fā)動(dòng)機(jī)試車設(shè)施，也包括點(diǎn)火器和燃?xì)獍l(fā)生器測試。E4試驗(yàn)場由4個(gè)試驗(yàn)單元組成，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)試驗(yàn)和火箭分級(jí)試驗(yàn)。

相對論公司的主要發(fā)射場設(shè)置在卡納維拉爾角空軍基地的LC-16號(hào)工位。這里是中低傾角軌道的理想選擇，號(hào)稱低軌道最大運(yùn)載能力達(dá)到1500千克。相對論公司還在加州范登堡空軍基地開發(fā)B330工位，支持大傾角軌道飛行。