3D 打印出来的火箭,能降低太空旅行的价格吗?

摘要

马斯克认为,将人类送去探索其他星球的最大障碍,不是技术,而是成本。

2016 年,马斯克在第一次介绍火星计划的演讲中提到,将人类送去探索其他星球的最大障碍,不是科技,而是成本。当时,他预计利用现有技术打造一台火星飞行器需要 100 亿美元,而 SpaceX 的使命是将单人单程票价控制在 20 万美元。

殖民火星|SpaceX

既能节省进入太空的成本,又安全可靠的技术就成了刚需,而 3D 打印,正是其中一种省钱的方法。

2015 年,两位分别来自 SpaceX 和蓝色起源的前员工创办了 Relativity Space。他们认为,这两家在航天领域最前沿的公司都没有充分利用 3D 打印技术。其中,SpaceX 利用这项技术制造了猎鹰 9 号的主要氧化剂阀门和龙飞船 2 号的 SuperDraco 引擎。Relativity 试图用 3D 打印技术制造完整火箭,压缩制造成本,吸引更多对中小型发射有需求的运营商。

就在上个月,Relativity 宣布和 Momentus 合作,Momentus 同样也是一家擅长省钱的太空创业公司,他们使用水作为火箭的推进系统,然后打造出运载能力越来越强的「太空拖船」,为客户提供航天器变轨服务。合作方面,Relativity 负责发射 Momentus 的卫星,然后后者再利用「太空拖船」将自家卫星变轨到地球同步轨道(geosynchronous orbit)。这两家公司的合作备受资本和媒体的关注,它们也正在缓缓展开一幅美好图景——人类离探索太空,乃至殖民太空又近了一步。


60 天,打印一支火箭

在宣布和 Momentus 签约之前,Relativity 已经和 NASA 以及美国空军达成合作,并于今年 4 月拿下首个商业订单,和卫星通信公司 Telesat 达成协议。Telesat 将部署多达数百颗卫星的低地轨道(LEO)星座,让 Relativity 承担部分发射任务。Telesat 此前已经和 SpaceX、蓝色起源等签订了合同,所以选择 Relativity 这样一家创业公司,也能说明后者具备一定实力。

「星际之门」|维基百科

Relativity 设计了一台近两层楼高的 3D 金属打印机 Stargate,它是目前世界上最大的用以制造火箭的打印机。据介绍,这台机器能在 60 天之内将原材料变成能上天的运载工具,这也是他们将它取名为「星际之门」的原因。

这个打印系统装有多个打印头,每个臂都装有激光器,它还配备质量控制系统,包括云模拟、先进成像和检测传感器等,并采用智能学习技术。这些设计让系统在打印完毕后能进行自动化组装。公司正在用 Stargate 打印 Aeon 1 火箭引擎,还表示 20 天就能制造这样一台引擎,相比通常有数千个零件的发动机,Aeon 1 只有 100 个零件。Relativity 还将打印运载火箭 Terran 1,如果顺利,这将是目前世界上第一台完全由 3D 打印出来的火箭,它的零件比传统火箭少 100 倍。另外,相比传统制造所需的 12 到 18 个月,Relativity 可以将制造火箭的周期控制在 60 天。

Aeon 1 引擎|Relativity Space

Aeon 1 真空推力约 8.8 吨,是 Rocket Lab 的小型火箭发动机 Rutherford 推力的 4 倍,不到 SpaceX 猎鹰 9 号的 Merlin 1D 发动机推力的十分之一。可以看出,Relativity 服务的是 Rocket Lab 和 SpaceX 所覆盖不到的市场。

至于成本,创始人 Tim Ellis 表示,以将 1250 千克载荷送入低地轨道为例,Relativity 收取 1000 万美元,这只有竞争对手的三分之一。3D 打印技术除了能让发射成本降低,也能满足客户更灵活的定制需求,比如客户可以根据不同的载荷调整整流罩的尺寸等。

正因为 Relativity 技术的快速推进,它在当地时间 10 月 1 日对外宣布完成 1.4 亿美元 C 轮融资。Ellis 表示,在这笔融资完成后,公司已经获得了足够的资金以完成 Terran 1 的研制和最终的发射工作。但同时,Terran 1 首飞已经从 2020 年底推迟到了 2021 年初,部分原因在于公司将 2 米宽的整流罩增加了 3 米,荷载容量也因此增加了一倍。


太空便车

卫星行业在过去几年发展迅速。据分析机构 Bryce Space & Technology,行业在 2017 年获得了近 2700 亿美元的收入,而且趋势向好。另外,据 Global Market Insights 的数据,到 2024 年,商业卫星发射服务的市场份额将达到 70 亿美元。2018 至 2024 年,LEO 在这个市场的复合年均增长率或将达到 3%,因为相比于离地更远轨道的部署,LEO 卫星的初始发射成本更低,部署时间更短,也能一次发射多星。

Momentus 设计的「太空拖船」|Momentus

因此,除了大型运载火箭,想要在 LEO 上部署卫星的运营商需要更低成本的选择。和 Relativity 合作的 Momentus 则提供了另一种方法。具体来说,为了节省发射成本,客户一般会让小卫星随大卫星一同发射,但它们并不一定能一次性部署在特定的轨道上,卫星变轨很复杂,费用高昂,而且往往办不到。针对这种情况,Momentus 想在在太空中解决航天器「最后一英里」的需求。客户可以用火箭将卫星等航天器先集中送到一个地点后,再用 Momentus 的「太空拖船」将航天器搬运到最终进入的轨道。

官方表示,这种「搭便车」最多可以让整个部署便宜 10 倍。创始人 Mikhail Kokorich 说,「希望从地球到 LEO,以及从 LEO 到月球轨道的 100-200 公斤载荷的报价低于 1000 万美元」。

自研推进系统|Golden

而这一趟趟便车的技术基础,来源于 Momentus 自研的水等离子推进(water plasma propulsion)系统。这种发动机的工作原理是利用太阳能将水用微波加热到太阳表面的温度,并将过热的气体通过喷嘴喷出来,从而产生推力。Momentus 上个月底在太空成功测试水等离子推进器。这项 16 个立方体卫星组成测试,首次证明利用微波电热等离子技术,能够实现较高比冲的推进,比目前人造卫星采用的离子推进器(氙、氪)造价低。

公司预计在今年推出 Vigoride 服务,最大运载为 250 公斤。公司还表示,将一组 20 多颗重达 20 磅的卫星分散到不同的轨道上,收取的费用大约为 120 万美元。之后还将推出运载能力更强大的「便车」。


小成本做大生意

就像马斯克所说的,既然技术并不是人类探索太空的最大制约因素,那么面对成本这个更大的难题,科技公司或许更应该切换思路,让技术服务于成本控制,也从「省钱」上刺激技术的更新。

据 Crunchbase 数据,成立 4 年的 Relativity 总共融资 1.857 亿美元。而成立还没到 2 年的 Momentus 目前已融得 3380 万美元的资金。前者在完成最新一轮融资时透露,公司最近已经成功打印并组装出了完整的二级火箭,也进行了超过 200 次发动机热实验。后者也于近期证明水等离子技术的可行性和推进实力。「Momentus 的推进技术正在从根本上重塑太空经济格局。」Prime Movers 实验室创始人 Dakin Sloss 这样评价。

这些积极进展都让这两家公司的愿景越发明晰。Relativity 的联合创始人 Jordan Noone 告诉美国合众国际社,「公司创立时,我们就想在火星上打印火箭。我们希望在 3D 打印机可以发现那里的金属和任何可用材料。」Ellis 说在未来,Relativity 会把打印火箭的「工厂」缩小到可能塞进火箭里的程度,然后带到其他星球。

Momentus 在官网上展示了从 2019-2022 中每年要发布的运输服务,单从运载能力来看,从 250 公斤,到 300 公斤,到 4000 公斤,再到入轨地球静止轨道(GEO)能达 10000 公斤的水平。水等离子推进也将用在 2022 的「太空拖船」上。在未来,公司的运输服务将触及到从小心星到地月之间空间的运水、小行星采矿基础设施部署和月球和火星再补给等业务。

OneWeb 卫星星座渲染图|OneWeb

但眼下,它们面前就有一块诱人蛋糕。据 The Verge 报道,目前地球轨道上有近 2000 颗正在运行的卫星,但 SpaceX、OneWeb 等卫星互联网项目可能会使这一数字增加 4 倍。它们将为环境监测和互联网连接提供支持,同时,也能给致力于降低卫星进入太空成本的创业公司带来商机。


题图来源:Relativity Space

责任编辑:宋德胜

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