Muovaako suhteellisuusteoria avaruusteollisuutta uudelleen?

Viimeisten 62 vuoden aikana amerikkalainen avaruusteollisuus on suunnitellut ja kehittynyt tiensä avaruuteen nopeammin kuin ihmiset olisivat koskaan voineet kuvitella, tavoittaen omaa kuutamme aina kaukaisiin aurinkokunnissa ja sen jälkeen. Mutta entä jos kertoisin teille, että tämä ala on kokemassa paradigman muutosta teknologioissa. Yritykset, kuten Relativity Space ja SpaceX, johtavat yhtä alan suurimmista teknologian ja valmistuksen muutoksista. Tässä artikkelissa tutkimme, mitä tekniikoita ja adventteja Suhteellisuusavaruus hyödyntää tämän tavoitteen saavuttamiseksi.

Kuka on Tim Ellis?

Tim Ellisin ymmärtämiseksi paremmin meidän on katsottava taaksepäin. Nuorena miehenä Tim tunnisti kykynsä ylikeskeistää ja tehdä monia tehtäviä lego-kiinnityksellä, niin paljon, että Timillä on edelleen pysyvästi taipunut peukalo oikeassa kädessään Legon rakentamiseen käytetyn äärimmäisen pitkän ajan ja vaivan vuoksi.

Ellis aloitti klo University of Southern California, jossa hän aikoi valmistua käsikirjoittajaksi ja opiskella osana USC:n Thematic Option -ohjelmaa. Kuitenkin hänen fuksi suuntautumisensa aikana hän vaihtoi pääaineenaan ilmailutekniikan. Ellis and Relativityn toinen perustaja ja teknologiajohtaja, Jordan Ei kukaan, molemmat toimivat johtotehtävissä USC:n Rocket Propulsion Labissa. Rocket Propulsion Labissa ollessaan Ellis ja Noone auttoivat laukaisemaan ensimmäisen opiskelijan suunnitteleman ja valmistetun raketin avaruuteen. Osallistuessaan USC:hen Ellis oli 3 harjoittelupaikkaa Blue Originissa ja suoritti sekä kandidaatin että maisterin tutkinnon.

Valmistumisensa jälkeen Ellis työskenteli kokopäiväisesti Blue Originilla 5 vuoden ajan keskittyen voimakkaasti 3D-tulostettu rakettiteknologiat. Myöhemmin hän toimi propulsiokehitysinsinöörinä miehistön kapseli-RCS-potkureissa. Hänelle myönnettiin myöhemmin tunnustus 3D-tulostuksen tuomisesta siniseen alkuperään. 

Alkuperä

Samalla kun Ellis ja Noone käyttivät aikaansa lisäaineiden valmistustekniikoiden kehittämiseen, jotka on erityisesti suunniteltu auttamaan rakettien työntövoimaa, he huomasivat tämän tekniikan avaruusteollisuuteen kohdistuvan vaikutuksen vakavuuden ja päättivät noudattaa kunnianhimoisempaa lähestymistapaa rakettien valmistukseen. 

Ellis ja Noone aloittivat Relativity Space Industries -yrityksen vuonna 2015. Aluksi he yrittivät kerätä 500,000 XNUMX dollaria siemenrahaa, mutta koska Ellisillä ei ollut todellista kokemusta rahoituksen keräämisestä start-upille, hän meni raajaan. päätti lähettää kylmän sähköpostin Mark Cubanille, ilmeisesti hänen sähköpostinsa olisi tarpeeksi vakuuttava vakuuttamaan Markin sijoittamaan kaikki 500,000 XNUMX dollaria. Yli viikko Starbucks-lautasliinalle luonnostetusta ideasta rahoituksen saamiseen. Ellis ja Noone aloittaisivat villin matkan, josta tuli myöhemmin ainutlaatuinen menestystarina. 

Ellis ja Noone, jotka pyrkivät pysymään kasvun tahdissa, myönsivät myöhemmin, että Markin rahoitus tuli niin nopeasti, että heillä ei itse asiassa ollut minnekään tallettaa varoja. Kun varat oli saatu ja halu voittaa mikä tahansa tehtävä, he aloittivat valtavan tehtävän luoda täysin 3D-painettuja raketteja. Tähän mennessä suhteellisuusavaruus on kerännyt onnistuneesti 2.3 miljardia dollaria neljän kierroksen aikana.

Lisäaineiden valmistus 

Suhteellisuusavaruuden edessä oli nyt monumentaalinen tehtävä luoda täysin 3D-painettuja raketteja, jotka edistävät rakettialusten tuotantoa, alentavat kustannuksia ja lisäävät suunnittelun yksinkertaisuutta. Ellis ymmärsi, että 3D-tulostimet olivat vastaus tähän, koska niiden kyky yksinkertaistaa ja luoda asioita nopeammin ja halvemmalla kuin aikaisemmat työkalumenetelmät, ja bonuksena tämä uusi tekniikka oli vihreämpää ja energiatehokkaampaa.

Testausaika lyheni joissakin tapauksissa 10x. Esimerkiksi aikaisempien sukupolvien rakettien siirtyminen teoriasta elinkelpoiseksi tuotteeksi kestäisi yli 10 vuotta, ja suhteellisuusavaruus voi tuottaa prototyyppejä alle 60 päivässä. Mutta se ei ollut niin yksinkertaista kuin metallisen 3D-tulostimen ostaminen ja tuotannon aloittaminen, vaan Relativity Spacen täytyi valmistaa omat 3D-tulostimet ja jopa suunnitella omat seokset, jotka oli johdettu tiiminsä omalta metalliasiantuntijalta. Nämä saavutukset ovat massiivisia sinänsä, puhumattakaan jäljellä olevista raketteja suunniteltavista komplikaatioista. 

Additiivinen valmistus ratkaisi lähes kaikki olemassa olevat avaruusteollisuuden tuotantolinjojen ongelmat, se eliminoi erikoistyökalujen tarpeen, nopeuttaa ideasta käyttökelpoiseen tuotteeseen kuluvaa aikaa ja mahdollistaa suhteellisuusavaruuden testaamisen ja tuottavan huomattavasti enemmän iteraatioita lyhyemmässä ajassa. kuin mikään muu rakettivalmistaja. Kun puhut teollisuudesta, joka myy miljoonia ja usein jopa miljardeja arvokkaita rahtia, näitä teknologioita on kokeiltava, totta ja testattava. Näistä esteistä huolimatta yritys on saanut eniten ennakkotilauksia kaikista yksityisen sektorin avaruusyrityksistä Amerikan historiassa, mikä vahvistaa ajatusta 3D-tulostuksesta ja todistaa, että sijoittajat ovat valmiita Ellisin ja Noonen kuvittelemiin teknologisiin edistysaskeliin avaruusteollisuudessa. . 

Avaruusteollisuuden volyymi

Avaruusmatkailun pitkäaikainen ongelma on ollut kohtuuhintaisuus, tämä korkea kynnys on estänyt pienempiä valtioita käynnistämästä avaruusohjelmia. Oletettiin myös, että avaruusmatkailu ei koskaan olisi kannattavaa yksityisellä sektorilla, ennen kuin SpaceX ja Blue Origin osoittavat sen vääräksi. Suhteellisuusavaruus on uusi tulokas, joka häiritsee tätä alaa vastatakseen kansojen tarpeisiin kaikkialla maailmassa. Satelliittien ja rakettien laukaisujen kysynnän kasvaessa avaruusmatkailun kysyntä kasvaa eksponentiaalisesti. Tällä hetkellä avaruusteollisuuden arvo on 350 miljardia dollaria ja Morgan Stanleyn mukaan sen odotetaan kasvavan 1.1 biljoonaan dollariin vuoteen 2040. 

Lähes 50 % avaruusteollisuudesta on satelliittien laukaisuja, minkä tiedostaen yksityinen sektori on ohjannut itseään utilitaristisemmalla tavalla, joka sopii paremmin satelliittien jakeluun matalalla kiertoradalla. Tämä on hyödyllistä monella tapaa, rahtitarve avaruudessa kasvaa ja tarvitsemme ratkaisuja, jotka sopivat parhaiten suurten määrien kuljettamiseen pitkiä matkoja vieraille planeetoille. Jos aiomme terraformoida Marsin kaltaisen planeetan, meillä on oltava kyky valmistaaksemme ja luodaksemme planeetalla, emme voi odottaa kuljettavamme rahtia tarpeen mukaan planeetalle kuukauden päässä. 

Relativity Space keskittyy Terran 1:n ja Terran R:n kanssa voimakkaasti lastinjakelun tarpeisiin. Terran 1:n (85 % 3d-tulostettu) hyötykuorma on 2700 2024 naulaa, ja se on omistettu laajasti aluksella oleville tiedonkeruutekniikoille, kun ne testaavat ja valmistautuvat käynnistämään Terran R:n vuonna 95. Terran R:n (3 % 44,000d-tulostus) odotetaan niiden hyötykuorma on 1 2024 paunaa. Tarran XNUMX soveltuu paremmin matalan kiertoradan tehtäviin, ja Terran R:n tavoitteena on lentää marsiin vuonna XNUMX. 

Suhteellisuusteorian avaruus

Suhteellisuusavaruudesta on kasvanut yritys, joka tukee a Arvostus on 4.2 miljardia dollaria ja yli 1.3 miljoonaa neliöjalkaa tuotantotilaa erittäin lyhyessä ajassa. Yritys on ollut myöntänyt useita patentteja 3D-tulostustekniikoita ja jopa joitakin sen seoksia. Yhtiö voi tehdä niin osittain täyden oman valmistuksen ansiosta, jossa muut rakettivalmistajat luottavat toimitusketjuihin ja ulkopuolisiin valmistajiin. Relativity Space tekee tämän kaiken yksin yhdessä neljästä Yhdysvaltoja sijaitsevasta varastostaan. Sen lisäksi, että he ovat onnistuneet tuomaan kaikki tarvittavat tekniikat taloon, he ovat myös onnistuneet on neljäs yritys Cape Canaveralin historiassa Heillä on myös tukikohta Vandenbergin ilmavoimien tukikohdassa. 

Relativity Spacen patentoidut tekniikat ovat antaneet niille mahdollisuuden valmistaa äskettäin suunniteltuja 3D-tulostimia, joissa käytetään plasmakaaripurkausta ja laserhitsausta alumiiniseoksilla nopeudella 10 tuumaa sekunnissa täysin itse suunniteltua hitsauslankaa. Tämä on auttanut heitä virittämään lopputuotteen paremmin vastaamaan heidän erityistarpeitaan ennennäkemättömillä nopeuksilla. Koneoppiminen optimoi sulavampi rakenne, joka tuottaa monissa tapauksissa osia, joita muuten olisi lähes mahdotonta valmistaa.

Ellis ja hänen tiiminsä joutuivat ratkaisemaan useita odottamattomia teknisiä haasteita, kuten metallin vääntymistä. Tässä tapauksessa ryhmä päätteli, että paras tapa oli oppia kunkin seoksen vääntymisen tarkat spesifikaatiot ja käyttää koneoppimisalgoritmeja ohjelmiensa mukauttamiseksi paremmin prosessissa käytettävään seokseen. Tämä antoi heille mahdollisuuden laskea ja säätää vastaavasti integroidakseen osan vääntymisen mittoihin sitä luodessaan. Ellis toteaa, että tämä algoritmi on johtanut raketin pituudella 2 tuhannesosan tuuman toleranssiin. Tämä on jälleen yksi esimerkki siitä, kuinka koneoppiminen hyödyttää valmistusta. 

Yksinkertaistaminen nostaa prioriteettilistaa

Aiempien sukupolvien rakettitutkimuksessa redundanssi oli pakollinen jokaiselle NASAn tekemälle päätökselle. Mahdollisen vian sattuessa jokaisessa osassa on oltava vähintään yksi varaosa. Tämä ajattelu näkyy NASAn rakettien useiden iteraatioiden suunnittelu- ja valmistuspäätöksissä. Mutta missä mennään, kun tavoitteena on vähentää osia ja yksinkertaistaa rakettien valmistusta? Miten tämä vaikuttaa redundanssiin?

Suhteellisen avaruuden tapauksessa raketin yksinkertaistaminen on hyödyllistä redundanssille. Osien määrän väheneminen korreloi suoraan huollon helppouteen ja mahdollisuuteen vaihtaa tai korjata osia tarpeen mukaan. 3D-tulostuksen edistymisen ja korkealaatuisten tulostimien pienentyneiden kokovaatimusten ansiosta on nyt mahdollista saada 3D-tulostimia miehitetyillä lennoilla oleviin lentokoneisiin ja mahdollisesti sijoittaa niitä kolonistetuille planeetoille.

Tämä näkyy kaikkialla Terran 1- ja Terran T -raketeissa, yhdestä yksittäisestä osasta valmistetuista ruiskutussuuttimista paisuntakammioiden jäähdytysjärjestelmiin, jotka on painettu suoraan kuumennettuihin pintoihin. Nämä liialliset yksinkertaistukset ovat johtaneet luotettavimpiin ja kustannustehokkaampiin osiin, jotka voidaan valmistaa lähes mihin tahansa tulostimeen sopivaksi. Tämä mahdollistaa myös huolto- ja seisonta-ajan vähenemisen, koska osan purkamiseen ja uudelleen kokoamiseen ei vaadita käytännön vaatimuksia.