Czy teoria względności zmienia przemysł kosmiczny?

W ciągu ostatnich 62 lat amerykański przemysł kosmiczny opracowywał i rozwijał swoją drogę do przestrzeni kosmicznej w tempie szybszym, niż ludzie mogli sobie kiedykolwiek wyobrazić, docierając do naszego księżyca aż do odległych układów słonecznych i dalej. Ale co, jeśli powiem Ci, że w tej branży wkrótce nastąpi zmiana paradygmatu technologicznego. Firmy takie jak Relativity Space i SpaceX stoją na czele jednej z największych zmian w technologii i produkcji, jakiej kiedykolwiek doświadczyła branża. W tym artykule zbadamy, jakie technologie i wynalazki wykorzystuje Relativity Space, aby osiągnąć ten cel.

Kim jest Tim Ellis?

Aby lepiej zrozumieć Tima Ellisa, musimy spojrzeć wstecz. Jako młody człowiek Tim rozpoznał swoją zdolność do nadmiernej koncentracji i wykonywania wielu zadań jednocześnie dzięki swojej obsesji na punkcie klocków Lego do tego stopnia, że ​​Tim nadal ma trwale zgięty kciuk prawej ręki z powodu ogromnej ilości czasu i wysiłku poświęconego na budowanie klocków Lego.

Ellis zaczynał od University of Southern California, gdzie planował ukończyć studia jako scenarzysta i studiować w ramach programu opcji tematycznych USC. Jednak podczas studiów pierwszego roku zmienił specjalizację na inżynierię lotniczą. Drugi współzałożyciel i dyrektor ds. technologii Ellis and Relativity Jordania Niktobaj zajmowali stanowiska kierownicze w Laboratorium Napędów Rakietowych USC. Podczas pracy w Laboratorium Napędu Rakietowego Ellis i Noone pomogli wystrzelić w kosmos pierwszą rakietę zaprojektowaną i zbudowaną przez studentów. Podczas studiów na USC Ellis odbył 3 staże w Blue Origin i uzyskał zarówno tytuł licencjata, jak i magistra.

Po ukończeniu studiów Ellis przez 5 lat kontynuował pracę w pełnym wymiarze godzin w Blue Origin, skupiając się głównie na Wydrukowano 3D technologie rakietowe. Później pracował jako inżynier ds. rozwoju napędu w sterach strumieniowych kapsuły załogi RCS. Później przypisywano mu, że wprowadził druk 3D we własnym zakresie do Blue Origin. 

Początki

Podczas gdy Ellis i Noone spędzali czas na opracowywaniu technologii wytwarzania przyrostowego, zaprojektowanych specjalnie w celu wspomagania napędu rakietowego, zdali sobie sprawę z powagi wpływu tej technologii na przemysł kosmiczny i zdecydowali się przyjąć bardziej ambitne podejście do produkcji rakiet. 

Ellis i Noone założyli firmę Relativity Space Industries w 2015 r. Początkowo chcieli zebrać kapitał początkowy w wysokości 500,000 XNUMX dolarów, ale nie mając żadnego doświadczenia w pozyskiwaniu funduszy na start-up, Ellis zaryzykował i podjął decyzję zdecydowałem się wysłać zimnego e-maila do Marka Cubana, najwyraźniej jego e-mail byłby na tyle przekonujący, że przekonałby Marka do zainwestowania pełnych 500,000 XNUMX dolarów. Od pomysłu naszkicowanego na serwetce Starbucks do zabezpieczenia finansowania minął ponad tydzień. Ellis i Noone rozpoczęli szaloną przygodę, która później stała się jedyną w swoim rodzaju historią sukcesu. 

Ellis i Noone, którzy starali się dotrzymać tempa wzrostu, przyznali później, że fundusze od Marka dotarły tak szybko, że w rzeczywistości nie mieli gdzie ich zdeponować. Dysponując funduszami i ambicją wykonania dowolnego zadania, rozpoczęli monumentalne zadanie stworzenia rakiet w pełni wydrukowanych w 3D. Do chwili obecnej w ramach 2.3 rund Relativity Space udało się zebrać 4 miliarda dolarów.

Produkcja dodatkowa 

Przestrzeń teorii względności stanęła teraz przed monumentalnym zadaniem stworzenia w pełni wydrukowanych w 3D rakiet, aby usprawnić produkcję statków rakietowych, obniżyć koszty i zwiększyć prostotę projektowania. Ellis zrozumiał, że drukarki 3D są odpowiedzią na ten problem ze względu na ich zdolność do upraszczania oraz tworzenia rzeczy szybciej i taniej niż poprzednie metody oprzyrządowania, a dodatkowo ta nowa technologia była bardziej ekologiczna i bardziej energooszczędna.

Czas potrzebny na testowanie został w niektórych przypadkach skrócony 10-krotnie. na przykład przejście od teorii do realnego produktu w przypadku rakiet poprzednich generacji zajęłoby ponad 10 lat, a Przestrzeń Relativity Space może wyprodukować prototypy w mniej niż 60 dni. Jednak nie było to tak proste, jak zakup drukarki 3D do metalu i rozpoczęcie produkcji. Firma Relativity Space musiała wyprodukować własne drukarki 3D, a nawet samodzielnie zaprojektować własne stopy, pochodzące od specjalisty od metalu z ich zespołu. Te wyczyny same w sobie są ogromne, nie mówiąc już o pozostałych komplikacjach, które występują podczas projektowania rakiet. 

Produkcja przyrostowa rozwiązała prawie wszystkie istniejące problemy przemysłu kosmicznego za pomocą linii produkcyjnych, eliminuje potrzebę stosowania specjalnego oprzyrządowania, przyspiesza czas od pomysłu do wykonalnego produktu i pozwala przestrzeni Relativity na testowanie i wytwarzanie znacznie większej liczby iteracji w krótszym czasie niż jakikolwiek inny producent rakiet. Kiedy mówisz o branży, która handluje milionami, a często nawet miliardami cennych ładunków, technologie te muszą zostać wypróbowane, to prawda i przetestowane. Pomimo tych przeszkód firma otrzymała największą liczbę zamówień w przedsprzedaży spośród wszystkich firm kosmicznych z sektora prywatnego w historii Ameryki, co wzmocniło ideę druku 3D i udowodniło, że inwestorzy są gotowi na postęp technologiczny w przemyśle kosmicznym, jaki przewidywali Ellis i Noone . 

Wielkość przemysłu kosmicznego

Długoletnim problemem związanym z podróżami kosmicznymi jest przystępność cenowa; ten wysoki próg uniemożliwia mniejszym krajom uruchamianie programów kosmicznych. Założono również, że podróże kosmiczne nigdy nie będą opłacalne w sektorze prywatnym, dopóki SpaceX i Blue Origin nie udowodnią, że się mylą. Relativity Space to nowość, która rewolucjonizuje tę branżę, aby sprostać potrzebom narodów na całym świecie. W miarę wzrostu naszego zapotrzebowania na satelity i wystrzeliwanie rakiet, zapotrzebowanie na podróże kosmiczne rośnie wykładniczo. Obecnie przemysł kosmiczny jest wyceniany na 350 miliardów dolarów według Morgan Stanley ma wzrosnąć do 1.1 biliona dolarów do roku 2040. 

Prawie 50% przemysłu kosmicznego to wystrzeliwanie satelitów, mając tego świadomość, sektor prywatny obrał bardziej utylitarny sposób, lepiej dostosowany do rozmieszczenia satelitów na niskiej orbicie. Jest to korzystne pod wieloma względami, zapotrzebowanie na ładunek w przestrzeni kosmicznej rośnie i potrzebujemy rozwiązań najlepiej dostosowanych do transportu dużych ilości na duże odległości na obce planety. Jeśli mamy terraformować planetę taką jak Mars, będziemy musieli posiadać zdolność aby móc produkować i tworzyć na planecie, nie możemy oczekiwać, że dostarczymy potrzebny ładunek na planetę za miesiąc. 

Relativity Space, wraz z Terran 1 i Terran R, mocno koncentruje się na potrzebach dystrybucji ładunków. Terran 1 (85% wydrukowany w 3D) będzie miał ładowność 2700 funtów i będzie w dużej mierze poświęcony technologiom gromadzenia informacji na pokładzie podczas testowania i przygotowań do wystrzelenia Terrana R w 2024 r. Oczekuje się, że Terran R (95% wydrukowany w 3D) mają ładowność 44,000 1 funtów. Tarran 2024 lepiej nadaje się do misji na niskich orbitach, a Terran R ma za cel polecieć na Marsa w XNUMX roku. 

Przestrzeń względności

Przestrzeń teorii względności rozrosła się do firmy wspierającej a Wycena na 4.2 miliarda dolarów i zabezpieczenie ponad 1.3 miliona stóp kwadratowych powierzchni produkcyjnej w wyjątkowo krótkim czasie. Firma była udzielił kilku patentów wokół technologii druku 3D, a nawet niektórych jego stopów. Firma może to osiągnąć po części dzięki całkowicie własnej produkcji, podczas gdy inni producenci rakiet korzystają z łańcuchów dostaw i producentów zewnętrznych. Relativity Space zajmuje się tym samodzielnie w jednym z 1 magazynów rozsianych po całych Stanach Zjednoczonych. Nie tylko udało im się wprowadzić do domu wszystkie niezbędne technologie, ale także im się to udało stać się czwartą firmą w historii przylądka Canaveral aby mieć wydzieloną platformę startową, mają także bazę w bazie sił powietrznych Vandenberg. 

Zastrzeżone technologie firmy Relativity Space umożliwiły jej produkcję nowo zaprojektowanych drukarek 3D wykorzystujących wyładowanie łuku plazmowego i spawanie laserowe stopami aluminium z szybkością 10 cali na sekundę drutu spawalniczego zaprojektowanego w pełni samodzielnie. Umożliwiło im to lepsze dostrojenie produktu końcowego do ich konkretnych potrzeb przy nigdy wcześniej niespotykanych prędkościach. Uczenie maszynowe optymalizuje bardziej płynna konstrukcja, w wielu przypadkach wytwarzająca części, które w innym przypadku byłyby prawie niemożliwe do wyprodukowania.

Ellis i jego zespół musieli rozwiązać kilka nieprzewidzianych wyzwań technicznych, takich jak wypaczenie metalu. W tym przypadku zespół doszedł do wniosku, że najlepszym podejściem jest poznanie dokładnych specyfikacji wypaczenia charakterystycznego dla każdego stopu i wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego w celu lepszego dostosowania programów do konkretnego stopu używanego w procesie. Umożliwiło im to obliczenia i odpowiednie dostosowanie, aby uwzględnić wypaczenie części w pomiarach podczas jej tworzenia. Ellis twierdzi, że algorytm ten doprowadził do tolerancji na całej długości rakiety w granicach 2 tysięcznych cala. To kolejny przykład tego, jak uczenie maszynowe może przynieść korzyści produkcji. 

Uproszczenie rośnie na liście priorytetów

W poprzednich generacjach badań rakietowych redundancja była obowiązkowa przy każdej decyzji podejmowanej przez NASA. W przypadku potencjalnej awarii każda część musi mieć co najmniej jedną część zapasową. To myślenie można dostrzec w decyzjach inżynieryjnych i produkcyjnych podejmowanych w kilku wersjach rakiet NASA. Ale na czym stoimy, gdy celem jest redukcja części i uproszczenie produkcji rakiet? Jak wpłynie to na redundancję?

W przypadku Relative Space uproszczenie rakiety jest korzystne ze względu na redundancję. Zmniejszenie liczby części jest bezpośrednio powiązane z łatwością konserwacji i możliwością wymiany lub naprawy części na żądanie. Dzięki postępowi w druku 3D i zmniejszonym wymaganiom dotyczącym rozmiarów drukarek wysokiej jakości możliwe jest obecnie umieszczanie drukarek 3D na pokładach samolotów obsługujących loty załogowe i potencjalnie stacjonowanie na skolonizowanych planetach.

Można to zaobserwować w rakietach Terran 1 i Terran T, od dysz wtryskowych wykonanych z 1 pojedynczej części po systemy chłodzenia komór rozprężnych drukowane bezpośrednio na podgrzewanych powierzchniach. Te nadmierne uproszczenia zaowocowały bardziej niezawodnymi i opłacalnymi częściami, które można wykonać niemal wszędzie, gdzie można dopasować je do drukarki. Pozwoli to również na ograniczenie konserwacji i przestojów ze względu na brak konieczności ręcznego demontażu i ponownego montażu części.