3D-tulostetut raketit alkavat räjähtää

Jos tämän kesän Terran1-laukaisu Cape Canaveralista onnistuu, Suhteellisuustila on ensimmäinen ilmailua valmistava yritys, joka lähettää kokonaan 3D-painetun raketin avaruuteen. Pian sen jälkeen kalifornialainen start-up soitti Launcher ottaa käyttöön 3D-tulostetuilla rakettimoottoreilla toimivan Orbiter-satelliittialustan saatuaan tehostuksen avaruuteen SpaceX:stä.

On vaikea yliarvioida 3D-tulostuksen – jota kutsutaan myös additiiviseksi valmistukseksi – vaikutusta avaruusteollisuuteen. Mikään muu teknologia ei ole mahdollistanut niin monien yritysten tuloa tälle alalle ja toimittaa ajoneuvoja, moottoreita ja raketteja niin lyhyessä ajassa näin alhaisin kustannuksin. Ja nyt aloittavien rakettivalmistajien määrä on kasvussa, kun kaupallisesti saatavilla olevat 3D-tulostimet osoittavat olevansa avaruuden arvoisia komponentteja valmistelemaan.

Esimerkiksi Iso-Britanniassa toimiva ilmailualan yritys Orbex toivoo, että sen 3D-painetut raketit, jotka on valmistettu saksalaisen valmistajan EOS:n uusimmalla metalli-3D-tulostimella, lentävät Skotlannista vuoden loppuun mennessä. Ja Yhdysvalloissa nuori rakettimoottorien valmistaja Ursa-majuri ottaa nyt tilauksia uudesta Arroway-propulsiomoottoristaan, joka on suunniteltu syrjäyttämään venäläiset propulsiolähteet, joita nyt ei ole saatavilla. Se on myös 3D-tulostettu käyttämällä saatavilla olevia metallisia 3D-tulostimia.

"En usko, että yrityksemme olisi olemassa ilman 3D-tulostusta", sanoo Jake Bowles, Ursa Majorin edistyksellisen valmistuksen ja materiaalien johtaja, joka vietti viisi vuotta SpaceX:ssä. "Evoluutiomme oli vahvasti sidoksissa 3D-tulostuksen olemassaoloon ja kypsyyteen."

Ursa Major päätti tuoda moottorin markkinoille paljon nopeammin kuin ennen, kuukausissa eikä vuosissa, mikä oli mahdollista vain prototyyppien ja 3D-tulostimien avulla valmistamalla, Bowles sanoo.

Vaikka Relativity Space ja muut ovat kehittäneet patentoitua 3D-tulostustekniikkaa raketteihinsa, Bowles sanoo, että uusien kaupallisten 3D-tulostimien avulla Ursa Major pystyi pitämään kustannukset hallinnassa ja toistamaan suunnitelmia nopeasti ilman, että hänen tarvitsisi kompastella kotitekoisten 3D-tulostimien edellyttämää varhaista teknologiaa. .

"Tiimimme arvioi jatkuvasti uusia 3D-tulostinyrityksiä, jotka tuovat esille innovaatioita, koska kilpailu osuuksista ilmailu- ja avaruuslaukaisumarkkinoista on kovaa", Bowles sanoo. Strategic Market Researchin mukaan globaalien ilmailu- ja avaruusalan 3D-tulostusmarkkinoiden koon ennustetaan nousevan 9.27 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä.

Yritykset kilpailevat tarjotakseen tehokkaimpia, joustavimpia ja edullisimpia vaihtoehtoja yrityksille, kuten AmazonAMZN
, jotka haluavat saattaa satelliitteja kiertoradalle tarjotakseen maailmanlaajuista laajakaistaa, ottamalla korkearesoluutioisia kuvia maan päällä tapahtuvasta toiminnasta ja jopa perustaakseen yksityisiä avaruusasemahotelleja erittäin varakkaille.

3D-tulostus vauhdittaa kilpailua avaruuden kaupallistamiseksi

Kun additiivinen valmistustekniikka leikkaa laukaisukustannuksia jopa 95 % NASA:n avaruussukkulaohjelmaan verrattuna, ovet ovat avoinna uusille palveluille, jotka liittyvät kiertoradalla ajavaan kovaan kilpailuun rakettien valmistajien välillä. Launcherin yrityksen iskulause kuuluu kuin Walmart-mainoksessa: "Missä tahansa avaruudessa alhaisin kustannuksin."

Miljoonien alentaminen satelliittien käyttöönoton kustannuksista sai äskettäin Launcher-rahoituksen Yhdysvaltain avaruusjoukoilta kehittääkseen edelleen E-2 3D-tulostettua, korkean suorituskyvyn nestemäistä rakettimoottoriaan Launcher Light -kantorakettia varten, jonka on määrä lentää vuonna 2024. US Space Force "Launcherin E-2 nesterakettimoottorilla on potentiaalia alentaa merkittävästi pienten satelliittien toimittamista kiertoradalle erityisillä pienillä kantoraketilla, mikä on avaruusvoimien keskeinen ominaisuus ja prioriteetti."

Kustannusten leikkaamiseksi ja tuotannon nopeuttamiseksi Launcher käyttää myös EOS:n 3D-tulostimia sekä kalifornialaista Velo3D:tä.

"Rakettimoottorin turbopumpun osat vaativat yleensä valua, taontaa ja hitsausta", sanoo Launcherin perustaja ja toimitusjohtaja Max Haot. ”Näissä prosesseissa tarvittavat työkalut lisäävät kehityskustannuksia ja vähentävät joustavuutta suunnittelun iteraatioiden välillä. Mahdollisuus 3D-tulostaa turbopumppumme, mukaan lukien pyörivät Inconel-vaippaiset juoksupyörät, Velo3D:n nollaasteen tekniikan ansiosta mahdollistaa sen nyt halvemmalla ja lisää innovaatioita iteroiden jokaisen prototyypin välillä."

Ilmailu- ja avaruusteollisuuden perinteisillä valmistusmenetelmillä on yleistä kuulla 12–XNUMX kuukauden läpimenoajoista ja valtavista kustannuksista työkalujen rakentamiseen ja testaamiseen, kuten pumppukäyttöinen happirikas porrastettu polttomoottori, sanoo Eduardo Rondon, vanhempi propulsio. Ursa Majorin analyytikko, toinen SpaceX-veteraani. "Additiivisen valmistuksen avulla voimme laittaa uuden mallin testitelineeseen, päättää tehdä muutoksen, työstää vaihtoehtoista arkkitehtuuria, tulostaa sen ja saada sen osastolle viikkoissa."

Orbex 3D tulostaa rakettinsa samalla tulostintyypillä kuin Launcher AMCM M4K-4 Metallitulostusalusta EOS:ltä, joka ilmestyi vuonna 2021. Yritys on käyttänyt myös saksalaisen SLM Solutionsin metallisia 3D-tulostimia.

3D-tulostus ei vain aloittaville yrityksille

3D-tulostuksella on pitkä historia avaruudessa siitä lähtien, kun SpaceX julkisti 3D-tulostetun SuperDraco-rakettimoottorinsa vuonna 2013.

Ilmailujätti Aerojet RocketdyneAJRD
Suunniteltu uudelleen Bantam-rakettimoottoriperheensä vuonna 2017 hyödyntää täysimääräisesti lisäainevalmistuskykyä, joka lyhentää suunnittelu- ja valmistusaikaa yli vuodesta muutamaan kuukauteen ja alentaa kustannuksia noin 65 % perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna.

"Nämä moottorit, jotka normaalisti koostuisivat yli sadasta osasta, on rakennettu vain kolmesta lisäainevalmisteisesta pääkomponentista: ruiskutuskokoonpanosta, palokammiosta ja monoliittisesta kurkku- ja suutinosasta", yhtiö kertoo.

Rocket Lab, toinen kaupallisten satelliittien laukaisujen edelläkävijä, laukaisi ensimmäisen kerran kevyen 3D-painetun Rutherford-rakettimoottorinsa vuonna 2017. Sen palokammio, injektorit, pumput ja pääajoaineventtiilit ovat kaikki 3D-tulostettuja, ja niillä on jo 27 laukaisua. mukaan lukien tämän viikon.

Tiistaina, Rocket Lab's Rutherford-moottori käytti yhtiön Electron-rakettia Uudesta-Seelannista NASAn hyötykuorman kanssa, joka oli matkalla kuuhun.

Huolimatta siitä, että NASA ja kokeneet laukaisuveteraanit ovat testanneet, validoineet ja sisällyttäneet lisäaineita ohjelmiinsa vuosia, nykypäivän kaupallinen 3D-tulostustekniikka ja edistyneet metalliseosmateriaalit ovat kypsyneet niin nopeasti, että Launcherin, Ursa Majorin ja Orbexin kaltaiset yritykset voivat saada prototyypistä julkaisuun lyhyemmässä ajassa vähemmällä rahalla.

"Aloitimme ensimmäisestä päivästä 3D-tulostuksen ympärille suunnittelemisen ja sen tarjoamien ominaisuuksien hyödyntämisen", Bowels sanoo. ”Tämä on antanut meille mahdollisuuden rakentaa sisäistä osaamista 3D-tulostuksen suunnittelun optimoinnista, jota voimme sitten soveltaa uusiin moottoreihin, joita meidän on kehitettävä ja myytävä vastataksemme markkinoiden kysyntään. Ja tietämällä jo, miten se tehdään, pääsemme markkinoille nopeammin."