Is Relativity Space de ruimtevaartindustrie aan het herschappen?

Gedurende de afgelopen 62 jaar heeft de Amerikaanse ruimtevaartindustrie op een snelheid die sneller is dan mensen ooit hadden kunnen vermoeden, zijn weg gebaand in de buitenruimte, van onze eigen maan tot verre zonnestelsels en daarbuiten. Maar wat als ik je zou vertellen dat deze industrie op het punt staat een paradigma-shift in technologieën te ervaren. Bedrijven als Relativity Space en SpaceX staan aan het hoofd van een van de grootste verschuivingen in technologie en fabricage die de industrie ooit zal meemaken. In dit artikel zullen we onderzoeken welke technologieën en ontwikkelingen Relativity Space gebruikt om dit doel te bereiken.

Wie is Tim Ellis?

Om Tim Ellis beter te begrijpen, moeten we verder terugkijken. Als jongeman erkende Tim zijn vermogen om hyper-geconcentreerd te zijn en multi-tasken door zijn obsessie met Lego, zozeer zelfs dat Tim nog steeds een permanent gebogen duim op zijn rechterhand heeft van de extreme hoeveelheid tijd en inspanning die hij besteedde aan het bouwen van Lego.

Ellis begon aan de University of Southern California, waar hij van plan was om af te studeren als scenarioschrijver en te studeren als onderdeel van het Thematic Option-programma van USC. Echter, tijdens zijn freshman-oriëntatie, veranderde hij zijn hoofdvak in lucht- en ruimtevaarttechniek. Ellis en Relativity’s andere mede-oprichter en CTO, Jordan Noone, hadden beiden leiderschapsposities bij USC’s Rocket Propulsion Lab. Tijdens hun tijd in het Rocket Propulsion Lab, hielpen Ellis en Noone bij de lancering van de eerste door studenten ontworpen en gebouwde raket in de ruimte. Terwijl hij aan USC studeerde, had Ellis 3 stages bij Blue Origin en behaalde hij zowel een Bachelor of Science als een Master of Science.

Na zijn afstuderen ging Ellis full-time werken bij Blue Origin voor 5 jaar, met een sterke focus op 3D-geprinte rakettechnologieën. Later was hij verantwoordelijk als ontwikkelingsingenieur voor de RCS-thrusters van de crew capsule. Hij zou later de eer krijgen voor het binnenhalen van 3D-printen bij Blue Origin.

De oorsprong

Terwijl Ellis en Noone hun tijd besteedden aan het ontwikkelen van additieve fabricagetechnologieën, specifiek ontworpen om raketpropulsie te helpen, erkenden ze de zwaarte van de impact van deze technologieën op de ruimtevaartindustrie en besloten ze een meer ambitieuze aanpak te kiezen voor raketfabricage.

Ellis en Noone gingen verder met het lanceren van Relativity Space Industries in 2015. Aanvankelijk zochten ze $500.000 aan startkapitaal, maar met geen enkele ervaring in het werven van fondsen voor een start-up, besloot Ellis om een risico te nemen en een koude e-mail te sturen naar Mark Cuban, blijkbaar was zijn e-mail overtuigend genoeg om Mark te overtuigen om het volledige bedrag van $500.000 te investeren. Binnen een week van het idee dat op een Starbucks-notitieblok was geschetst, tot het veiligstellen van de financiering. Ellis en Noone begonnen aan het wilde avontuur dat later een unieke successtory zou worden.

Ellis en Noone, die moeite hadden om bij te blijven met het tempo van de groei, erkenden later dat de financiering van Mark zo snel kwam dat ze eigenlijk nergens de fondsen konden storten. Met de fondsen op hun plaats en de ambitie om elke gegeven taak te veroveren, begonnen ze aan de monumentale taak om volledig 3D-geprinte raketten te creëren. Tot op heden heeft Relativity Space met succes 2,3 miljard dollar opgehaald via 4 financieringsrondes.

Additieve fabricage

Relativity Space stond nu voor de monumentale taak om volledig 3D-geprinte raketten te creëren om de productie van raketten te verbeteren, de kosten te verlagen en de eenvoud van het ontwerp te vergroten. Ellis begreep dat 3D-printers het antwoord waren op deze uitdaging vanwege hun vermogen om dingen te vereenvoudigen en sneller en goedkoper te creëren dan voorgaande gereedschapsmethoden, en als bonus was deze nieuwe technologie groener en energie-efficiënter.

De tijd tot testen werd in sommige gevallen met 10x verminderd. Bijvoorbeeld, eerdere generaties van raketten zouden tot 10 jaar duren om van theorie tot een levensvatbaar product te komen, en Relativity Space kan prototypes produceren in minder dan 60 dagen. Maar het was niet zo eenvoudig als het kopen van een metalen 3D-printer en het starten van de productie, Relativity Space moest hun eigen 3D-printers fabriceren en zelfs hun eigen legeringen ontwikkelen, afgeleid van hun eigen metaalspecialist. Deze prestaties zijn enorm op zichzelf, laat staan de resterende complicaties die bestaan bij het ontwerpen van raketten.

Additieve fabricage bood een oplossing voor bijna alle bestaande problemen in de ruimtevaartindustrie met productielijnen, het elimineert de behoefte aan speciale gereedschappen, versnelt de tijd van idee tot levensvatbaar product en stelt Relativity Space in staat om aanzienlijk meer iteraties te testen en produceren in een kortere periode dan enige andere raketfabrikant. Wanneer je het over een industrie hebt die in de miljoenen en vaak zelfs in de miljarden aan waardevolle lading gaat, moeten deze technologieën worden getest, bewezen en getest. Ondanks deze obstakels heeft het bedrijf de grootste hoeveelheid voorbestellingen van enig particulier ruimtevaartbedrijf in de Amerikaanse geschiedenis ontvangen, waardoor het idee van 3D-printen wordt ondersteund en wordt aangetoond dat investeerders klaar zijn voor de technologische vooruitgang in de ruimtevaartindustrie die Ellis en Noone zich hadden voorgesteld.

Relativity Space 4g printer.

Ruimtevaartindustrie-volume

Het langdurige probleem met ruimtereizen is de betaalbaarheid, deze hoge drempel heeft voorkomen dat kleinere landen ruimteprogramma’s lanceerden. Het werd ook aangenomen dat ruimtereizen nooit haalbaar zou zijn in de particuliere sector totdat dit werd weerlegd door SpaceX en Blue Origin. Relativity Space is een nieuwkomer die deze industrie verstoort om aan de behoeften van landen over de hele wereld te voldoen. Naarmate de vraag naar satellieten en raketlanceringen toeneemt, groeit de vraag naar ruimtereizen exponentieel. Momenteel is de ruimtevaartindustrie gewaardeerd op 350 miljard dollar en volgens Morgan Stanley wordt verwacht dat deze tegen 2040 zal groeien tot 1,1 biljoen dollar.

Bijna 50% van de ruimtevaartindustrie bestaat uit satellietlanceringen, hierin erkennend heeft de particuliere sector zichzelf in een meer utilitaristische richting gestuurd, beter aangepast aan de distributie van satellieten in lage baan. Dit is op meer dan één manier gunstig, de behoefte aan lading in de ruimte neemt toe en we hebben oplossingen nodig die het beste zijn aangepast aan het vervoeren van grote hoeveelheden over lange afstanden naar vreemde planeten. Als we een planeet zoals Mars willen terraformeren, zullen we de mogelijkheid moeten hebben om op de planeet te produceren en te creëren, we kunnen niet verwachten dat we lading naar behoefte naar een planeet ver weg kunnen verzenden.

Relativity Space, met Terran 1 en Terran R, richt zich sterk op de behoeften van ladingdistributie. Terran 1 (85% 3D-geprint) zal een nuttige lading van 2700 pond hebben, dit zal in hoge mate worden gewijd aan informatie-verzamelende technologieën aan boord, terwijl ze testen en zich voorbereiden op de lancering van Terran R in 2024, Terran R (95% 3D-geprint) wordt verwacht een nuttige lading van 44.000 pond te hebben. Terran 1 is beter geschikt voor lage baanmissies, terwijl Terran R het doel heeft om in 2024 naar Mars te vliegen.

Relativity Space

Relativity Space is uitgegroeid tot een bedrijf met een waardering van 4,2 miljard dollar en heeft meer dan 1,3 miljoen vierkante voet aan productieruimte veiliggesteld in een opmerkelijk korte periode. Het bedrijf is verschillende octrooien verleend voor zijn 3D-printtechnologieën en zelfs enkele van zijn legeringen. Het bedrijf kan dit doen omdat het de volledige productie in eigen huis heeft, terwijl andere raketfabrikanten afhankelijk zijn van toeleveringsketens en externe fabrikanten. Relativity Space doet dit allemaal zelf in een van zijn 4 magazijnen verspreid over de Verenigde Staten. Niet alleen zijn ze erin geslaagd om alle benodigde technologieën in eigen huis te brengen, maar ze zijn er ook in geslaagd om de vierde onderneming in de geschiedenis van Cape Canaveral te worden met een gewijd lanceerplatform, ze hebben ook een basis op Vandenberg Air Force Base.

De eigen technologieën van Relativity Space hebben het bedrijf in staat gesteld om nieuw ontworpen 3D-printers te fabriceren met plasma-boogontlading en lasergelaste aluminiumlegeringen met een snelheid van 10″ per seconde van lasdraad, volledig in eigen huis ontworpen. Dit heeft het bedrijf in staat gesteld om het eindproduct beter af te stemmen op hun specifieke behoeften op nooit eerder gezien snelheden. Machine learning optimaliseert een meer vloeiend ontwerp, in veel gevallen producerend onderdelen die anders bijna onmogelijk te fabriceren zouden zijn.

Ellis en zijn team moesten verschillende onvoorziene technische uitdagingen oplossen, zoals metaalvervorming. In dit geval concludeerde het team dat de beste aanpak was om de exacte specificaties van vervorming inherent aan elke legering te leren en de machine learning-algoritmen te gebruiken om hun programma’s beter aan te passen aan de specifieke legering die voor het proces werd gebruikt. Dit stelde hen in staat om te berekenen en dienovereenkomstig aan te passen om de vervorming van het onderdeel in de metingen op te nemen bij het creëren ervan. Ellis zegt dat over de lengte van de raket, dit algoritme heeft geleid tot een tolerantie binnen 2 duizendste van een inch. Dit is nog een voorbeeld van hoe machine learning de fabricage ten goede kan komen.

Vereenvoudiging van raketten

In eerdere generaties van raketverkenning was redundantie verplicht voor elke enkele beslissing die door NASA werd genomen. In geval van een potentieel falen, moest elk onderdeel minstens één reserveonderdeel hebben. Deze manier van denken kan worden gezien in de ingenieurs- en fabricagebeslissingen in de verschillende iteraties van NASA-raketten. Maar waar staan we als het doel is om onderdelen te verminderen en de fabricage van raketten te vereenvoudigen? Hoe zal dit de redundantie beïnvloeden?

In het geval van Relativity Space is de vereenvoudiging van de raket gunstig voor redundantie. De reductie in het aantal onderdelen correleert rechtstreeks met de gemakkelijkheid van onderhoud en de mogelijkheid om onderdelen te veranderen of te repareren op aanvraag. Met de vooruitgang in 3D-printen en de afgenomen grootte-eisen voor hoge kwaliteit printers, is het nu haalbaar om 3D-printers aan boord van vliegtuigen in bemande vluchten te hebben en mogelijk op gekoloniseerde planeten te plaatsen.

Dit kan worden gezien in de Terran 1 en Terran T-raketten, van hun injectie-nozzles die zijn geproduceerd uit 1 individueel onderdeel tot de expansiekamers van de koelsystemen die rechtstreeks in de verhitte oppervlakken worden geprint. Deze oversimplificaties hebben geresulteerd in meer betrouwbare en kosteneffectieve onderdelen die feitelijk overal kunnen worden gemaakt waar ze in staat zijn om de printer te plaatsen. Dit zal ook leiden tot een reductie van onderhoud en downtime vanwege het ontbreken van handmatige vereisten om het onderdeel te demonteren en te monteren.