Czy Relativity Space zmienia przemysł kosmiczny?

Przez minionych 62 lat amerykański przemysł kosmiczny inżynierii i rozwinął się w kosmos z prędkością szybszą niż ludzie mogli sobie wyobrazić, sięgając od naszego własnego księżyca aż do odległych układów słonecznych i poza. Ale co, gdybym powiedział, że ten przemysł jest na progu przełomowego zmiany w technologii. Firmy takie jak Relativity Space i SpaceX są na czele jednej z największych zmian w technologii i produkcji, jaką ten przemysł może kiedykolwiek doświadczyć. W tym artykule będziemy badać, jakie technologie i osiągnięcia Relativity Space wykorzystuje, aby osiągnąć ten cel.

Kim jest Tim Ellis?

Aby lepiej zrozumieć Tima Ellisa, musimy cofnąć się w czasie. Jako młody człowiek Tim rozpoznał swoją zdolność do hyper-fokusu i wielozadaniowości dzięki swojej obsesji na punkcie Lego, tak bardzo, że Tim do dziś ma trwale zgięty kciuk na prawej ręce z powodu ekstremalnej ilości czasu i wysiłku poświęconego na budowanie Lego.

Ellis rozpoczął swoją karierę na University of Southern California, gdzie planował ukończyć studia jako scenarzysta i studiować w ramach programu Thematic Option. Jednak podczas orientacji dla pierwszorocznych, zmienił swoją specjalizację na inżynierię lotniczą. Ellis i współzałożyciel Relativity, CTO, Jordan Noone, zajmowali stanowiska kierownicze w Rocket Propulsion Lab na USC. Podczas swojego pobytu w Rocket Propulsion Lab, Ellis i Noone pomogli wystrzelić pierwszą rakietę zaprojektowaną i zbudowaną przez studentów w kosmos. Podczas studiów na USC Ellis miał 3 staże w Blue Origin i uzyskał zarówno tytuł licencjata, jak i magistra.

Po ukończeniu studiów Ellis kontynuował pracę w Blue Origin przez 5 lat, koncentrując się na drukowaniu 3D technologii rakietowych. Później pracował jako inżynier rozwoju napędu w crew capsule RCS thrusters. Później został uznany za wprowadzenie drukowania 3D do Blue Origin.

Początki

Podczas gdy Ellis i Noone spędzali czas na rozwijaniu technologii drukowania addytywnego, specjalnie zaprojektowanych do pomocy w napędzie rakietowym, uznali wagę wpływu tych technologii na przemysł kosmiczny i postanowili podjąć się bardziej ambitnego podejścia do produkcji rakiet.

Ellis i Noone założyli Relativity Space Industries w 2015 roku. Początkowo szukali 500 000 dolarów na start, ale bez doświadczenia w pozyskiwaniu funduszy na startup, Ellis postanowił wysłać zimny e-mail do Marka Cubana, który okazał się wystarczająco przekonywujący, aby Mark zainwestował pełne 500 000 dolarów. W ciągu tygodnia od pomysłu zarysowanego na serwetce w Starbucks do zabezpieczenia funduszy. Ellis i Noone rozpoczęli szaloną jazdę, która miała się stać wyjątkową historią sukcesu.

Ellis i Noone, którzy mieli trudności z nadążaniem za tempem wzrostu, później przyznali, że fundusze od Marka przybyły tak szybko, że nie mieli nawet gdzie ich zdeponować. Z funduszami na miejscu i ambicją, aby podjąć się każdego zadania, rozpoczęli monumentalne zadanie tworzenia w pełni wydrukowanych rakiet 3D. Do tej pory Relativity Space pomyślnie pozyskało 2,3 miliarda dolarów w ramach 4 rund.

Produkcja addytywna

Relativity Space stanęła teraz przed monumentalnym zadaniem stworzenia w pełni wydrukowanych rakiet 3D, aby lepiej poprawić produkcję statków rakietowych, zmniejszyć koszty i zwiększyć prostotę projektu. Ellis zrozumiał, że drukarki 3D były odpowiedzią na to, dzięki ich możliwości uproszczenia i tworzenia rzeczy szybciej i taniej niż poprzednie metody narzędziowe, a jako bonus, ta nowa technologia była bardziej ekologiczna i energooszczędna.

Czas testów został skrócony w niektórych przypadkach o 10-krotnie. Na przykład poprzednie generacje rakiet wymagały ponad 10 lat, aby przejść od teorii do produktu, a Relativity Space może produkować prototypy w ciągu mniej niż 60 dni. Ale nie było to tak proste, jak zakup drukarki metalowej 3D i rozpoczęcie produkcji, Relativity Space musiała wyprodukować własne drukarki 3D i nawet opracować własne stopy pochodzące od specjalisty od metali w swoim zespole. Te osiągnięcia są ogromne same w sobie, nie mówiąc już o pozostałych komplikacjach, które występują przy projektowaniu rakiet.

Produkcja addytywna mogła rozwiązać prawie wszystkie istniejące problemy przemysłu kosmicznego związane z liniami produkcyjnymi, eliminuje potrzebę specjalistycznych narzędzi, przyspiesza czas od pomysłu do produktu, i pozwala Relativity Space na testowanie i produkowanie znacznie więcej wersji w krótszym czasie niż jakikolwiek inny producent rakiet. Gdy mówimy o branży, która działa w milionach, a często nawet miliardach dolarów w cennych ładunkach, te technologie muszą być sprawdzone, prawdziwe i przetestowane. Pomimo tych przeszkód, firma otrzymała największą ilość zamówień przedprodukcyjnych jakiejkolwiek prywatnej firmy kosmicznej w historii amerykańskiej, wspierając ideę drukowania 3D i udowadniając, że inwestorzy są gotowi na postęp technologiczny w przemyśle kosmicznym, jaki Ellis i Noone sobie wyobrażali.

Relativity Space 4g printer.

Wolumen przemysłu kosmicznego

Długoletnim problemem z podróżami kosmicznymi była opłacalność, ten wysoki próg uniemożliwił mniejszym narodom uruchomienie programów kosmicznych. Przypuszczano, że podróże kosmiczne nigdy nie będą opłacalne w sektorze prywatnym, dopóki nie zostało to udowodnione przez SpaceX i Blue Origin. Relativity Space jest nowym graczem, który burzy ten przemysł, aby spełnić potrzeby narodów na całym świecie. W miarę wzrostu popytu na satelity i starty rakiet wzrasta popyt na podróże kosmiczne. Obecnie przemysł kosmiczny jest warty 350 miliardów dolarów i według Morgan Stanley ma się zwiększyć do 1,1 biliona do 2040 roku.

Prawie 50% przemysłu kosmicznego to starty satelitów, uznając to, sektor prywatny skierował się w bardziej utylitarny sposób, lepiej dostosowany do dystrybucji satelitów na niskiej orbicie. Jest to korzystne w więcej niż jeden sposób, potrzeba ładunku w kosmosie rośnie, a my potrzebujemy rozwiązań najlepiej dopasowanych do transportu dużych ilości na długich dystansach do obcych planet. Jeśli mamy zamiar skolonizować planetę jak Mars, będziemy musieli mieć możliwość wytwarzania i tworzenia na planecie, nie możemy oczekiwać, że będziemy wysyłać ładunek w razie potrzeby na planetę oddaloną o miesiące.

Relativity Space, z Terran 1 i Terran R, koncentruje się głównie na potrzebach dystrybucji ładunku. Terran 1 (85% wydrukowana 3D) będzie miała ładunek 2700 funtów, co będzie poświęcone głównie technologiom gromadzenia informacji na pokładzie, podczas gdy testują i przygotowują się do startu Terran R w 2024 roku, Terran R (95% wydrukowana 3D) ma się mieć ładunek 44 000 funtów. Tarran 1 jest lepiej dopasowana do misji na niskiej orbicie, a Terran R ma na celu polecieć na Marsa w 2024 roku.

Relativity space

Relativity space rozrosła się do firmy o wycenionej na 4,2 miliarda dolarów i zabezpieczyła ponad 1,3 miliona metrów kwadratowych powierzchni produkcyjnej w niezwykle krótkim czasie. Firma uzyskała kilka patentów dotyczących swoich technologii drukowania 3D i nawet niektórych stopów. Firma może to robić dzięki pełnej produkcji wewnętrznej, podczas gdy inni producenci rakiet polegają na łańcuchach dostaw i zewnętrznych producentach. Relativity Space robi to wszystko samodzielnie w 1 z 4 magazynów rozsianych po Stanach Zjednoczonych. Nie tylko udało im się przywieźć wszystkie niezbędne technologie do środka, ale także udało im się stać się czwartą firmą w historii Cape Canaveral, która ma dedykowaną platformę startową, mają również bazę w Vandenberg Air Force Base.

Własne technologie Relativity Space umożliwiły im wytworzenie nowo zaprojektowanych drukarek 3D wykorzystujących łuk plazmowy i spawanie laserowe z stopami aluminium z prędkością 10 cali na sekundę drutu spawalniczego, w pełni zaprojektowanego wewnętrznie. To umożliwiło im lepsze dostosowanie produktu końcowego do ich specyficznych potrzeb przy niezwykle wysokich prędkościach. Machine learning optymalizuje bardziej płynny projekt, w wielu przypadkach produkując części, które w przeciwnym razie byłyby prawie niemożliwe do wyprodukowania.

Ellis i jego zespół musieli rozwiązać kilka nieprzewidzianych wyzwań technicznych, takich jak zginanie metalu. W tym przypadku zespół doszedł do wniosku, że najlepszym podejściem jest nauka dokładnych specyfikacji zginania właściwych dla każdej stopy i wykorzystanie algorytmów machine learning do lepszego dostosowania ich programów do konkretnych stopów używanych w procesie. To pozwoliło im obliczyć i dostosować odpowiednio do integracji zginania części podczas jej tworzenia. Ellis stwierdził, że na długości rakiety ten algorytm doprowadził do tolerancji w granicach 2 tysięcznych cala. To jest kolejny przykład, jak machine learning może przynieść korzyści produkcji.

Uproszczenie wznosi się na szczyt listy priorytetów

W poprzednich generacjach eksploracji rakietowej, nadmiarowość była obowiązkowa dla każdej decyzji podjętej przez NASA. W przypadku potencjalnego awarii każda część wymagała co najmniej jednej części zapasowej. To myślenie można zobaczyć w decyzjach inżynierskich i produkcyjnych w różnych wersjach rakiet NASA. Ale gdzie stoimy, gdy celem jest zmniejszenie części i uproszczenie produkcji rakiet? Jak to wpłynie na nadmiarowość?

W przypadku Relativity Space uproszczenie rakiety jest korzystne dla nadmiarowości. Zmniejszenie liczby części jest bezpośrednio skorelowane z łatwością konserwacji i możliwością zmiany lub naprawy części na żądanie. Z postępem w drukowaniu 3D i zmniejszeniem wymagań rozmiarowych dla wysokiej jakości drukarek, jest teraz możliwe posiadanie drukarek 3D na pokładzie samolotów w lotach załogowych i potencjalnie stacjonowanie na skolonizowanych planetach.

To można zobaczyć w rakietach Terran 1 i Terran T, od dysz wtryskowych wyprodukowanych z jednej części do systemów chłodzenia komór rozprężnych wydrukowanych bezpośrednio na powierzchniach nagrzewanych. Te uproszczenia doprowadziły do bardziej niezawodnych i ekonomicznych części, które można wykonać praktycznie wszędzie, gdzie można zmieścić drukarkę. To również pozwoli na zmniejszenie konserwacji i czasu przestoju z powodu braku wymagań ręcznych do demontażu i ponownego montażu części.