3D打印火箭（疯狂火箭3D）

相对论太空公司正在

利用增材制造技术重塑火箭行业

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我永远不会忘记第一次看到火箭在我眼前成形的场景。

2018年10月，我站在一个小房间里，看着一只巨型机械臂优雅地绕着一个巨大的金属模型移动，金属模型正迅速变大。这只机械臂精确地沉积着液态铝，一层一层地构建结构，另外两只机械臂和精加工工具在一旁准备就绪。我站在火箭行业初创公司相对论太空公司（Relativity Space）位于洛杉矶的总部，敬畏地凝视着这家公司的第一枚运载火箭——Terran 1火箭——的诞生。

我最近刚入职相对论太空公司的航空电子部门，成为这个部门的第一位工程师。虽然我以前供职的公司也制造火箭，但相对论太空公司所采用的制造方式截然不同。其他公司生产火箭的场所是几千平方米大的厂房，足以容纳大量金属滚筒、圆顶旋转器和搅拌摩擦焊接机等庞大的制造工具；而在相对论太空公司，运载火箭的大部分都是在这个只有9米见方的小房间里制造的。

这个房间里放着一台世界上最大的金属3D打印机，名为“星际之门”（Stargate）。为实现使用3D打印技术打印一整枚火箭的雄心壮志，相对论太空公司发明了这台打印机，致力于将打印出来的火箭发射至近地轨道。我们期待最终能将火箭发射至更远的地方。也许有一天，我们可以把3D打印机运到火星上，这样一来，就可以在火星上造火箭了，在火星上发射的火箭最终会降落在哪里呢？敬请拭目以待。

这听起来很疯狂吗？也许是近乎不切实际的疯狂想法，但很多人已经开始认真对待我们的创意。截至目前，已有4位商业客户报名参与我们将于2021年初启动的火箭发射计划，届时，我们生产的火箭会被发射至地球轨道。美国空军也批准了我们在卡纳维拉尔角建造发射场的申请，卡纳维拉尔角是佛罗里达著名的发射基地，这里曾发射过许多历史性的载人航天飞机。美国宇航局租给了我们一栋位于密西西比州圣路易斯湾斯坦尼斯航天中心的大楼。公司将在那里建造一座工厂，目标年产量为24枚火箭。这种大规模生产代表了火箭技术的一场革命。利用增材制造技术，也就是3D打印技术，我们相信能取得成功。

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将火箭发射到轨道是一个二元命题：要么成功，要么失败。火箭从发射台飞到太空只需要大约10分钟，在这期间，必须确保一系列极其复杂的系统（管道、航空电子设备、软件、烟火和气动系统等）完美地协同工作。一旦任何部件出现故障，整个项目会彻底失败。

火箭的成本不是由原材料决定的，原材料相当便宜，所需成本很大程度上来自人力成本：将原材料加工成可用部件以及验证这些部件是否能正常运转所需的人力。降低人力成本有两种方法：一是减少火箭的零件总数，从而减少所需劳动力；二是改进制造工艺，减少对人力的需求。

蓝色起源公司、太空探索技术公司和维珍轨道公司在新的商业太空领域处于领先地位，这几家公司正在尝试将这两种方法相结合以降低人力成本。不过，这些公司对传统“减量”制造技术（即将大块原材料切割成型）的依赖限制了他们的决策。这几家公司已实现大部分供应链的自动化，但仍需利用复杂的制造系统对数万个零件进行追踪。制造工艺的自动化可以有效地减少人力，但需要配备昂贵的定制工具来匹配特定火箭的尺寸。

我们公司利用增材制造技术打印复杂零件，使用单一操作将原材料转化为成品，成功解决了人力成本问题。这种方法大大减少了零件数量，因为我们生产的一个零件通常相当于传统制造技术生产的几十个小零件。这一制造流程依赖于我们的3D打印机，而不是固定的工具，这使得我们能够更加灵活地进行各种创新，以相对较低的费用或时间成本进行大规模的设计变更。

火箭行业的经营规模与其他制造行业不同。举例来说，德国沃尔夫斯堡的大众汽车工厂每天生产大约3 500辆汽车。相比之下，任何一家航空公司如果能在一年内造出100枚火箭，那都将是里程碑式的大事件。这对其他行业来说不值一提，但在火箭行业则是高产。这意味着，增材制造技术会对火箭行业产生巨大影响。有些特定零件一年可能只需要几十或几百个，所以耗资研发特制工具来大量生产这些零件不一定明智；在零件过时之前，特制工具的成本都不一定能收得回来。

使用3D打印机制作新零件几乎不需要前期成本。例如，星际之门可以打印一个直径2米的推进剂储罐，然后紧接着打印一个直径3米的，停机时间非常短。我们只需要改变一些软件配置就能接着打印其他硬件，而无须*整个制造设备。

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我们公司的联合创始人乔丹•诺恩和（Jordan Noone）和蒂姆•埃利斯（Tim Ellis）相识于南加州大学洛杉矶分校的火箭推进实验室。在2015年联合创办相对论太空公司之前，诺恩就职于太空探索技术公司，埃利斯就职于蓝色起源公司。

这两家公司都使用增材制造技术制造部分火箭零件，但是诺恩和埃利斯想做出进一步改进。他们看到了革新火箭设计和制造方法的机会。他们发现，通过简化设计和生产流程还能够简化制造火箭所需的脑力劳动，即“认知开销”。

火箭通常包含大量独立零件。例如，航天飞机系统由250万个活动零件组成。所有零件必须准确无误地装配在一起，最后的组装成品不能超差（意为产品外形尺寸超出产品标准规定的公差范围）。每个零件都必须经制造、测试、安装和再次测试，如果其中一个零件需要修理，就会引发一系列额外工作。所有这些流程都涉及工具作业和文书工作，需要工程师和技术人员的参与。

利用增材制造技术，我们可以设计包含数个部件的零件，如果使用传统技术，这些部件就需要单独制造和组装。零件越少，接口就越少，故障率也就越低。

我们设计和制造火箭发动机的方法就很好地说明了这一点。标准火箭发动机的运作原理是：当燃料和氧化剂进入燃烧室时，喷射器将这二者混合在一起，然后点火器在燃烧室里点火，点火之后的燃烧会产生热气，而热气通过喷嘴产生推力。原理听起来很简单，但实际操作起来却非常复杂。以Rocketdyne公司的F-1发动机为例（该发动机在美国宇航局阿波罗计划中发射了土星五号运载火箭），它包含一个燃烧室和喷嘴组件，其中单独制造的零件（不包括喷射器）超过5000个。

我们公司的发动机Aeon1与之完全不同。我们使用了商业3D打印机来制造发动机，这种打印机采用了直接金属激光烧结工艺，激光将金属粉末颗粒熔合在一起，一层层地构建所需结构。只需要按下打印机的“on”按钮3次（打印3个零件），我们就可以轻松制造最简易的发动机，这是一种使用加压气体将燃料和氧化剂从燃料罐推入燃烧室的压力供给型发动机。不止如此，我们预计还会推出商用打印机，可以将喷射器、点火器、燃烧室和喷嘴作为一个个单独的零件进行打印。

我们在开发和测试中使用了这种压力供给型发动机；最终发射的发动机会使用涡轮泵代替加压气体来移动燃料（液态甲烷）和氧化剂（液态氧）。涡轮泵更适合装有大型燃料罐的火箭，它会使零件数量增多，但其制造流程仍比以往任何时候都简单得多。

许多火箭发动机都采用了再生冷却技术，通过燃烧室周围的冷却通道泵送液体燃料以实现散热的效果。传统制造和组装流程会通过快速旋转厚铜片使其成型，并施加压力以形成燃烧室内部构造；然后对厚铜片进行研磨，在其外部形成复杂的冷却通道；接着将一个坚固的外罩铜焊到铜结构上，然后将燃油进气歧管焊接到外罩上。整个发动机的装配都需要进行精加工，以确保所有零件完美组装，满足极高的公差要求。这些流程中的每一道工序中都可能产生设计误差或制造误差。Aeon发动机也采用了再生冷却技术，但其燃烧室仅需一次打印即可制造完成。此外，比起通过研磨金属打造冷却通道，3D打印可以制造的微小冷却通道数量要多得多。

设计、制造一台发动机并将其送上试验台是一项艰巨的任务，如果使用传统方法，这个过程需要10到12个月，倘若进行重大升级，差不多也需要花费同样长的时间。而我们能够实现更快的迭代速度。在对Aeon发动机进行初始测试的过程中，我们在14个月内试验了5个版本，发动机点火了100多次。

美国宇航局宇航员唐纳德•佩蒂特（Donald Pettit）曾在美国宇航局网站上发表过一篇精彩的文章，名为《火箭方程的“暴政”》（The Tyranny of the Rocket Equation），正如他在文章中指出的那样，脱离地球引力不是一件容易的事。火箭在装满燃料之前一般是空容器。佩蒂特解释道，这就像一罐汽水94%的重量来自汽水，只有6%的重量来自汽水罐。航天飞机外部燃料罐96%的重量来自燃料，4%的重量来自燃料罐，鉴于燃料罐装的是低温液体，必须以每秒1.5吨的速度泵出，这比汽水罐技术有了显著的进步。

整个Terran1火箭的设计遵循简洁原则。装有燃料和氧化剂的储罐会“自动加压”，也就是说，一小部分汽化的燃料和氧化剂会被泵回各自的储罐，在液体排出时替换液体。就像佩蒂特类比的那样，未开封的汽水罐的外壳很薄，但坚硬结实；然而，一旦这个汽水罐打开了，就很容易被压瘪。同样，借助内部压力就可以制造轻便坚固的火箭。

许多火箭的燃料罐和氧化剂罐内都采用了特殊压力容器，而Terran1火箭储罐上的自体系统可以取代这种容器。这些容器将氦气等惰性气体保持在极高的压力下，直到能够释放到储罐中以提供内部压力。众所周知，这些容器的设计和制造难度极高，在过去10年里，曾造成数次火箭故障，包括2015年太空探索技术公司猎鹰9号火箭爆炸事件。

使用金属激光烧结技术的商用打印机适合制造发动机，但不适合生产储罐。这种打印机能选择性地熔化特定金属粉末，在零件的每一层中生成固体材料。每一层粉末层都必须平整，不管实际需要固化多少材料，打印机的整个工作空间都必须充满粉末。大部分粉末可以回收利用，但每次印刷都会损失部分粉末。如果使用激光烧结打印机生产储罐，所需要的金属粉末量会多得离谱，而且打印速度非常慢。

这就是我们设计和制造星际之门的原因，星际之门是一种全新的大型3D打印机，它采用了定向能量沉积技术，虽然这种技术不稀奇，但其运行规模前所未有。该打印机将金属线送入沉积区，并使用能量（通常是强大的激光）熔化金属线，一层一层地构建打印零件。

星际之门只会将金属熔液放置在需要构建零件的地方，这大大减少了材料的浪费。该打印机使用了3个巨型机械臂，其中一个仅用于输出金属线的打印头；另外两个控制用于加工已打印零件的工具。我们还编写了专用软件，用于管理有关将设计转化为机械臂详细说明的“路径规划”。

星际之门当然也有一些局限性。在打印时，其机械臂会在自由空间移动工作工具，这意味着能打印的几何形状会受到机械臂运动学的限制，机械臂的移动距离有限，还要避免与所打印的零件相撞。随着金属丝慢慢熔化，焊接流程中产生的焊珠尺寸会设定印刷分辨率的下限，但是当涉及大型压力容器和结构部件时，这些影响并不严重。

星际之门打印机是一项新技术，我们相信它开辟了航天制造的新领域，但是这种打印工艺的新颖性也意味着，我们不能依靠现有的材料数据或工艺参数来获得高质量的产品。相对论太空公司专门聘请了冶金专家对流程进行把关和优化，以确保所产部件符合航空航天硬件的严格质量标准。

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在传统的航空航天制造业中，一个设计的变更可能需要花费近一年时间来重新加工和调整。硬件改造需要花费很长时间，因此航空电子部门通常是航空航天公司最高效的部门。航空电子团队（操控火箭制导、导航、通信等电子设备）习惯于在最后一刻变更软件，解决火箭其他部分出现的故障。

我们公司的情况则完全相反，负责硬件的团队可以进行实质性设计变更，并在几天内制造出新储罐或发动机。他们可以迅速地修改计划，这对航空电子团队生产印刷电路板以及构建连接所有电子设备和线路的电缆装配能力提出了挑战。航空电子设备必须适应不断变化和改进的火箭。

因此，我们把Terran1火箭的航空电子设备设计得尽可能模块化。我们假定传感器和执行器需要更改，基于这种前提，我们对航空电子设备的设计将限制这种修改的影响。为实现这一目的，我们设计了一些专用的总线方法，最大限度地减少了连接器和引脚的数量。我们尽一切努力减少了电线使用量，这是火箭航空电子设备中最不可靠的部分。每根电线的每个连接都是潜在的故障点。我们在所有可行的情况下，应用了控制器局域网总线协议（用于实现微控制器和设备之间的通信）和以太网等标准，如此一来，就可以使用现有的行业工具进行测试和开发。通过这种方法，我们不必浪费时间去查找定制协议的漏洞，而能够专注于确保我们的航空电子设备能在特定情境正常运行。

在设计航空电子系统的每一个细节时，我们着眼的都是全局优化而非局部优化。例如，我们使用了Altium Designer等用于电子设计自动化的标准工具来制造合格的基本太空飞行电路，整个火箭中可以以多种方式应用这些电路。我们称之为“基本电路”，将其用于电压转换器、处理器、传感器接口等组件。我们的工程师解决一个新问题后，就会在已经完成的工作基础上再接再厉，而不是从头开始。这听起来像是常识性的方法，但电路设计复杂的火箭数量很多，因为不同的工程师会用略微不同的方式解决相同的问题。

另一个例子是我们的固件。在我们航空电子设备箱内的内部通信中，我们并没有频繁使用针对印刷电路板优化的协议，该协议对提高性能和质量只有一点点作用。相反，我们有时会使用一种同时也用于外部设备间通信的协议。这种方法大大减少了开发固件的成本和时间，还让设计解决方案更具灵活性。我们可以在一个集中盒里进行变更，或者在最后一刻在线束里加装传感器，但是软件不会意识到其中的区别。单从航空电子系统的角度来看，这种方法可能不是最佳的，但是它在设计、制造和发射火箭方面具备很多优势。

我们的首席执行官埃利斯经常提醒我们，在定位公司文化时，至少应该像设计和制造火箭一样多加思考。相对论太空公司注重保持灵活性，鼓励多加尝试，这与传统航空公司的文化大相径庭，传统航空公司总是希望尽快锁定设计。我们制定了一个雄心勃勃的目标——在2021年初发射Terran1号。为此，我们利用模块化方法制造零件，孜孜不倦地进行改进，持续优化世界上第一枚3D打印火箭的设计。

我们致力于用比竞争对手低得多的成本，使用高约30米、宽约2米的Terran1向近地轨道发射中等大小的卫星。有了Terran1号，小型公司就能够预订火箭的全部有效载荷，按其计划时间将火箭发送到目标轨道，如果搭载其他公司的大型火箭，那么目标轨道和发射时间只能服从其安排。