3D列印火箭或將顛覆航天製造業，這家公司會成為下一個SpaceX嗎？

撰文 Lee Billings

翻譯 李楊

審校 張夢茜

編輯 魏瀟

建造火箭的最好方法是什麼?

對於蒂姆?埃利斯（Tim Ellis），太空發射服務初創公司 Relativity Space 的首席執行官來說，答案很明顯：把它列印出來。

埃利斯與喬丹·諾恩（Jordan Noone）曾在藍色起源公司（Blue Origin）共事過，這是由亞馬遜身家上億的首席執行官傑夫·貝佐斯（Jeff Bezos）創立的一家火箭公司。2015 年，埃利斯和諾恩一起建立了 Relativity Space。諾恩還在伊隆·馬斯克（Elon Musk）的 SpaceX 公司工作過。藍色起源和 SpaceX 公司都利用 3D 列印技術——也就是添加製造，來為他們的運載火箭建造一些部件和工具，但兩者目前都仍然依賴更傳統的技術製造火箭的大部分部件。考慮到 3D 列印的組件可以更輕、更強、也更簡便，埃利斯和諾恩抓住了這個機會。他們決定利用這個技術來建造符合他們期望的更便宜、更好的火箭，讓火箭發射進入軌道的成本更低廉。他們通過設計定製列印頭和軟體來實現這樣顛覆性的夢想。

Relativity Space 3D 列印的火箭發動機，Aeon 1。圖片來源：Relativity Space

經過一段時間的隱秘籌備，包括募集了 4000 萬美元的風險投資並在洛杉磯建立了佔地 20000 平方英尺的設施，Relativity Space 現在正在列印和測試更大的火箭部件。該公司的專利火箭發動機號稱只由兩部分就能代替由標準工業技術建造的 2,600 個部件。就在上個月，該公司與 NASA 斯坦尼航天中心（NASA Stennis Space Center）簽署了一份價值 3000 萬美元、長達 20 年的協議，拿到了一個 25 英畝的火箭測試綜合設施的獨家使用權。從理論上來說，該設施的四個測試站可以讓 Relativity Space 按自己的速度製造足夠多的引擎，每年可建造 36 枚火箭，而且這種合作關係還允許公司將其在斯坦尼航天中心的佔地面積擴大 10 倍。這樣的發展多半宜早不宜遲，因為其他公司同樣雄心勃勃，計劃用成千上萬顆新衛星填充近地軌道，進行通信、近地觀測和更多的工作。

Relativity Space 完全由 3D 列印製造的火箭還沒建好，更別提升空了，但埃利斯相信公司最早將在 2020 年推出它的第一個火箭，之後不久就會用於商業貨運航行。他說，如果一切順利，這只是公司的第一步，他們的終極目標是通過在未來的火星殖民地上列印和發射火箭，讓人類在多個行星上生活。

《科學美國人》（Scientific American）近日與埃利斯一起聊了聊他的 Relativity Space 公司的計劃，包括近地軌道中中型衛星的新興市場，以及該公司對在火星上生產火箭這一產業的長期願景。

蒂姆?埃利斯（Tim Ellis），太空發射服務初創公司 Relativity Space 的首席執行官

圖片來源：GeekWire

《科學美國人》（以下簡稱SA）:Relativity Space 與其他火箭公司有何不同？

蒂姆?埃利斯（以下簡稱 TE）: Relativity Space 的核心任務是創造一個全新的、從根基上更優秀的製造和發射火箭的過程。我們正在努力將火箭設計和生產過程自動化，列印出儘可能多的火箭構造。我們把 3D 列印看作是所有火箭生產和航天製造的未來，因為它減少了對勞動力的需求，並且化繁為簡。目前公司正在開發一個將軟體、機器學習、冶金和世界上最大的金屬 3D 印表機結合在一起的平台，我們稱之為「星際之門」（Stargate）。我們目前擁有的專利列印頭（printheads）、軟體和金屬沉積工藝，可以讓「星際之門」製作直徑 10 英尺，高 20 英尺的部件，而且比傳統的 3D 印表機快 20 到 30 倍。現在，它的規模相當於我們在洛杉磯總部的大樓。隨著時間的推移，它的硬體和軟體將以更快的速度列印更大的東西。

SA:現在能列印得多快？

TE: 我們目前可以在 30 天內從 0 開始造出一個近 100 英尺高，7 英尺寬（約 30 米高、2 米寬）的火箭，所有的部件都由 3D 列印而成。一旦零件列印出來，我們的目標是在下一個 30 天內完成組裝、測試、集成和發射火箭。因此，我們希望能在 60 天內從原材料起步，製造出一個完整的火箭。我們正在使用「星際之門」製造我們自己的運載火箭——Terran 1，以及一個叫做 Aeon 1 的火箭引擎。這將是我們發射服務的基礎，初步將運載 1250 公斤重的衛星進入近地軌道。我們計劃在今年年底前宣布我們的發射地點，預計第一次全面、全性能測試飛行將於 2020 年晚些時候進行，商業服務將於 2021 年初開始。

火箭 3D 列印平台「星際之門」的內景 圖片來源：SpaceNews

SA:發射需要多少錢？

TE: 我們的火箭發射需要 1000 萬美元。這個價格與更大的火箭（如俄羅斯的聯盟號、歐洲的維加和印度的極地衛星運載火箭）相比仍然具有很高的成本競爭力。那些是我們在短期內將遇到的對手。一些其他的初創公司正在提供更小的發射火箭，比如火箭實驗室（Rocket Labs）的「電子」火箭（Electron rocket），它可以載荷 150 公斤，但是我們的火箭可以一次帶多個有效載荷，平均到每顆衛星上的價格可能會便宜兩到三倍。

SA:看來你需要發射大量的衛星才能保持收支平衡。大多數衛星都低於 1250 公斤，或者更輕，像立方體衛星（CubeSats）和其他微型衛星，對吧？這方面的需求怎麼滿足？

TE: 總的來說，我們觀察到行業內對大衛星的需求比小型衛星更高，只要你能以低廉的價格建造和飛行就行。隨著競爭的加劇，我們看到衛星越來越大——更大的光學部件、更大的感測器和更大的太陽能電池陣列提供了更好的性能。但我們也看到越來越多的由衛星組成的「星座群」在近地軌道上進行通信或地球成像，每一個「星座群」都由幾十或數百個、甚至數千個中型航天器組成。這是航天工業巨大變化的一部分：從將近 36000 公里高的地球同步軌道上的非常大的衛星，轉變為到飛行高度不到 1000 公里的中型衛星的群組。

SA:是什麼推動了這種需求， Relativity Space 究竟準備如何滿足這一需求？

TE:減少通信延遲的迫切需求是其中的一個重要部分，將延遲從數百毫秒降低到數十毫秒，使得許多靠衛星提速的應用程序以一種前所未有的方式與地面選項進行競爭。對於近地軌道，你需要大量的衛星在多個軌道飛行，以獲得頻繁完整的覆蓋——你真的必須覆蓋全球，這樣就可以收集和傳遞大量的數據。例如，SpaceX 公司計劃用其獵鷹號火箭來創建 Starlink——由數千顆衛星組成的「星座」，為全球提供高速寬頻連接。但 SpaceX 並不是唯一一家擁有此類計劃的公司。與 SpaceX 競爭的對手可不一定會想使用獵鷹號火箭。因此，我們正在進行兩項服務，一種是在舊衛星失效的情況下用新的中型衛星對「星座」進行重新補給，另一種是在一次發射中部署完成由 50 至 100 公斤的小型衛星組成的整個環行軌道。我們能很划算地完成這兩項任務，而且已經收到了超過 10 億美元的來自商業公司和政府的意向和訂單。由於保密協定，我們不能談論太多這方面的事情，因為衛星的「星座群組」市場競爭太激烈了。但是後續我們將會公布我們的合作夥伴。

近地軌道上的衛星「星座群」

SA:很明顯，你正在考慮長遠的目標。你在 NASA 斯坦尼航天中心的 20 年租約是否意味著你已經在計劃 2030 年了？

TE: 準確地說，協議包括 10 年的協議和 10 年的期權，在這 10 年期權內我們可以選擇繼續或不繼續。這實際上是 20 年，因為我們想留在這裡繼續把事業發展壯大！我們設計和製造過程的重點是它可以很容易地放大或縮小。因此，無論市場走向何方，只要通過機器人技術和軟體自動化來簡化這一過程將是未來的目標，我們都將利用這個地方繼續開發最有效的、最好的運載工具。最終，我們想用我們的方法來支持人類在火星上長駐。

SA:為什麼是火星？你認為Relativity Space在這方面能起到什麼作用？

TE: 這就是我們成立公司的原因。SpaceX 的馬斯克曾說：「嘿，我們想去火星，在那裡建立一個全新的社會。」多年來在 NASA 的幫助下，他們取得了驚人的成果和進步。但我想說的是，除了 SpaceX 以外沒有其他公司站出來為這一目標共同努力。我們認為這需要更多的公司，至少幾十個，加入這個計劃並為這一長期使命做出貢獻。現在的大部分研究似乎都集中在弄清楚如何把人送到火星上，但也需要有人關注如何利用一個非常小的勞動力，在另一個星球上建立一個完整的永久性社會。這就是 Relativity Space 將要關注的問題：如何使用最少的勞動力快速地實現可持續發展和擴張。想想你能在火星上建立什麼樣的工廠。你當然希望它是輕量級的，具有一個恰到好處的空間，並且在面對不熟悉的環境時，它足夠靈活，可以做出各種各樣的產品。我剛剛描述的恰恰就是 3D 印表機，這就是我們想要構建的。我們在地球上的工廠里製造火箭和發動機，所做的一切其實都是能夠指導我們在火星上做出同樣成就的基石。最後，我們想讓火箭從火星飛回地球，在火星上的社會需要自給自足必須涉及到商品的生產和出口。如果這種情況真的發生了，它將成為人類歷史上一個關鍵的轉折點。當然，在那之前你可以製造其他工業產品來幫助在另一個星球上建立完整社會。在追求這一目標的同時也可以順便在地球上創造出一個真正了不起的企業。

https://www.scientificamerican.com/article/q-a-3-d-printing-rockets-with-relativity-space-ceo-tim-ellis/

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