3D打印火箭或?qū)㈩嵏埠教熘圃鞓I(yè)，這家公司會(huì)成為下一個(gè)SpaceX嗎?

撰文  Lee Billings
翻譯  李楊
審校  張夢(mèng)茜
編輯  魏瀟


文章來(lái)源 公眾號(hào)“科研圈”（ID:keyanquan）

建造火箭的最好方法是什么?對(duì)于蒂姆•埃利斯（Tim Ellis），太空發(fā)射服務(wù)初創(chuàng)公司 Relativity Space 的首席執(zhí)行官來(lái)說(shuō)，答案很明顯：把它打印出來(lái)。埃利斯與喬丹·諾恩（Jordan Noone）曾在藍(lán)色起源公司（Blue Origin）共事過(guò)，這是由亞馬遜身家上億的首席執(zhí)行官杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos）創(chuàng)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(guò)。

藍(lán)色起源和 SpaceX 公司都利用 3D 打印技術(shù)——也就是增材制造，來(lái)為他們的運(yùn)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(tǒng)的技術(shù)制造火箭的大部分部件。考慮到 3D 打印的組件可以更輕、更強(qiáng)、也更簡(jiǎn)便，埃利斯和諾恩抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)。他們決定利用這個(gè)技術(shù)來(lái)建造符合他們期望的更便宜、更好的火箭，讓火箭發(fā)射進(jìn)入軌道的成本更低廉。他們通過(guò)設(shè)計(jì)定制打印頭和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣顛覆性的夢(mèng)想。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的隱秘籌備，包括募集了 4000 萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資并在洛杉磯建立了占地 20000 平方英尺的設(shè)施，Relativity Space 現(xiàn)在正在打印和測(cè)試更大的火箭部件。該公司的專利火箭發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)稱只由兩部分就能代替由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)技術(shù)建造的 2,600 個(gè)部件。就在上個(gè)月，該公司與 NASA 斯坦尼航天中心（NASA Stennis Space Center）簽署了一份價(jià)值 3000 萬(wàn)美元、長(zhǎng)達(dá) 20 年的協(xié)議，拿到了一個(gè) 25 英畝的火箭測(cè)試綜合設(shè)施的獨(dú)家使用權(quán)。從理論上來(lái)說(shuō)，該設(shè)施的四個(gè)測(cè)試站可以讓 Relativity Space 按自己的速度制造足夠多的引擎，每年可建造 36 枚火箭，而且這種合作關(guān)系還允許公司將其在斯坦尼航天中心的占地面積擴(kuò)大 10 倍。這樣的發(fā)展多半宜早不宜遲，因?yàn)槠渌�公司同樣雄心勃勃，�?jì)劃用成千上萬(wàn)顆新衛(wèi)星填充近地軌道，進(jìn)行通信、近地觀測(cè)和更多的工作。

Relativity Space 完全由 3D 打印制造的火箭還沒(méi)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(gè)火箭，之后不久就會(huì)用于商業(yè)貨運(yùn)航行。他說(shuō)，如果一切順利，這只是公司的第一步，他們的終極目標(biāo)是通過(guò)在未來(lái)的火星殖民地上打印和發(fā)射火箭，讓人類在多個(gè)行星上生活。

《科學(xué)美國(guó)人》（Scientific American）近日與埃利斯一起聊了聊他的 Relativity Space 公司的計(jì)劃，包括近地軌道中中型衛(wèi)星的新興市場(chǎng)，以及該公司對(duì)在火星上生產(chǎn)火箭這一產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期愿景。

《科學(xué)美國(guó)人》（以下簡(jiǎn)稱SA）: Relativity Space 與其他火箭公司有何不同？
蒂姆•埃利斯（以下簡(jiǎn)稱 TE）:  Relativity Space 的核心任務(wù)是創(chuàng)造一個(gè)全新的、從根基上更優(yōu)秀的制造和發(fā)射火箭的過(guò)程。我們正在努力將火箭設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，打印出盡可能多的火箭構(gòu)造。我們把 3D 打印看作是所有火箭生產(chǎn)和航天制造的未來(lái)，因?yàn)樗鼫p少了對(duì)勞動(dòng)力的需求，并且化繁為簡(jiǎn)。目前公司正在開發(fā)一個(gè)將軟件、機(jī)器學(xué)習(xí)、冶金和世界上最大的金屬 3D 打印機(jī)結(jié)合在一起的平臺(tái)，我們稱之為“星際之門”（Stargate）。我們目前擁有的專利打印頭（printheads）、軟件和金屬沉積工藝，可以讓“星際之門”制作直徑 10 英尺，高 20 英尺的部件，而且比傳統(tǒng)的 3D 打印機(jī)快 20 到 30 倍�，F(xiàn)在，它的規(guī)模相當(dāng)于我們?cè)诼迳即壙偛康拇髽�。隨著時(shí)間的推移，它的硬件和軟件將以更快的速度打印更大的東西。

SA: 現(xiàn)在能打印得多快？
TE: 我們目前可以在 30 天內(nèi)從 0 開始造出一個(gè)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 打印而成。一旦零件打印出來(lái)，我們的目標(biāo)是在下一個(gè) 30 天內(nèi)完成組裝、測(cè)試、集成和發(fā)射火箭。因此，我們希望能在 60 天內(nèi)從原材料起步，制造出一個(gè)完整的火箭。我們正在使用“星際之門”制造我們自己的運(yùn)載火箭——Terran 1，以及一個(gè)叫做 Aeon 1 的火箭引擎。這將是我們發(fā)射服務(wù)的基礎(chǔ)，初步將運(yùn)載 1250 公斤重的衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道。我們計(jì)劃在今年年底前宣布我們的發(fā)射地點(diǎn)，預(yù)計(jì)第一次全面、全性能測(cè)試飛行將于 2020 年晚些時(shí)候進(jìn)行，商業(yè)服務(wù)將于 2021 年初開始。

SA: 發(fā)射需要多少錢？
TE: 我們的火箭發(fā)射需要 1000 萬(wàn)美元。這個(gè)價(jià)格與更大的火箭（如俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)、歐洲的維加和印度的極地衛(wèi)星運(yùn)載火箭）相比仍然具有很高的成本競(jìng)爭(zhēng)力。那些是我們?cè)诙唐趦?nèi)將遇到的對(duì)手。一些其他的初創(chuàng)公司正在提供更小的發(fā)射火箭，比如火箭實(shí)驗(yàn)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(gè)有效載荷，平均到每顆衛(wèi)星上的價(jià)格可能會(huì)便宜兩到三倍。

SA: 看來(lái)你需要發(fā)射大量的衛(wèi)星才能保持收支平衡。大多數(shù)衛(wèi)星都低于 1250 公斤，或者更輕，像立方體衛(wèi)星（CubeSats）和其他微型衛(wèi)星，對(duì)吧？這方面的需求怎么滿足？
TE: 總的來(lái)說(shuō)，我們觀察到行業(yè)內(nèi)對(duì)大衛(wèi)星的需求比小型衛(wèi)星更高，只要你能以低廉的價(jià)格建造和飛行就行。隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，我們看到衛(wèi)星越來(lái)越大——更大的光學(xué)部件、更大的傳感器和更大的太陽(yáng)能電池陣列提供了更好的性能。但我們也看到越來(lái)越多的由衛(wèi)星組成的“星座群”在近地軌道上進(jìn)行通信或地球成像，每一個(gè)“星座群”都由幾十或數(shù)百個(gè)、甚至數(shù)千個(gè)中型航天器組成。這是航天工業(yè)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(wèi)星，轉(zhuǎn)變?yōu)榈斤w行高度不到 1000 公里的中型衛(wèi)星的群組。

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近地軌道上的衛(wèi)星“星座群”  

SA: 是什么推動(dòng)了這種需求， Relativity Space 究竟準(zhǔn)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(gè)重要部分，將延遲從數(shù)百毫秒降低到數(shù)十毫秒，使得許多靠衛(wèi)星提速的應(yīng)用程序以一種前所未有的方式與地面選項(xiàng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于近地軌道，你需要大量的衛(wèi)星在多個(gè)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(shù)據(jù)。例如，SpaceX 公司計(jì)劃用其獵鷹號(hào)火箭來(lái)創(chuàng)建 Starlink——由數(shù)千顆衛(wèi)星組成的“星座”，為全球提供高速寬帶連接。但 SpaceX 并不是唯一一家擁有此類計(jì)劃的公司。與 SpaceX 競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)手可不一定會(huì)想使用獵鷹號(hào)火箭。因此，我們正在進(jìn)行兩項(xiàng)服務(wù)，一種是在舊衛(wèi)星失效的情況下用新的中型衛(wèi)星對(duì)“星座”進(jìn)行重新補(bǔ)給，另一種是在一次發(fā)射中部署完成由 50 至 100 公斤的小型衛(wèi)星組成的整個(gè)環(huán)行軌道。我們能很劃算地完成這兩項(xiàng)任務(wù)，而且已經(jīng)收到了超過(guò) 10 億美元的來(lái)自商業(yè)公司和政府的意向和訂單。由于保密協(xié)定，我們不能談?wù)撎�多這方面的事情，因?yàn)樾l(wèi)星的“星座群組”市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)太激烈了。但是后續(xù)我們將會(huì)公布我們的合作伙伴。

SA: 很明顯，你正在考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。你在 NASA 斯坦尼航天中心的 20 年租約是否意味著你已經(jīng)在計(jì)劃 2030 年了？
TE: 準(zhǔn)確地說(shuō)，協(xié)議包括 10 年的協(xié)議和 10 年的期權(quán)，在這 10 年期權(quán)內(nèi)我們可以選擇繼續(xù)或不繼續(xù)。這實(shí)際上是 20 年，因?yàn)槲覀兿肓粼谶@里繼續(xù)把事業(yè)發(fā)展壯大！我們?cè)O(shè)計(jì)和制造過(guò)程的重點(diǎn)是它可以很容易地放大或縮小。因此，無(wú)論市場(chǎng)走向何方，只要通過(guò)機(jī)器人技術(shù)和軟件自動(dòng)化來(lái)簡(jiǎn)化這一過(guò)程將是未來(lái)的目標(biāo)，我們都將利用這個(gè)地方繼續(xù)開發(fā)最有效的、最好的運(yùn)載工具。最終，我們想用我們的方法來(lái)支持人類在火星上長(zhǎng)駐。

SA: 為什么是火星？你認(rèn)為Relativity Space在這方面能起到什么作用？
TE: 這就是我們成立公司的原因。SpaceX 的馬斯克曾說(shuō)：“嘿，我們想去火星，在那里建立一個(gè)全新的社會(huì)。”多年來(lái)在 NASA 的幫助下，他們?nèi)〉昧梭@人的成果和進(jìn)步。但我想說(shuō)的是，除了 SpaceX 以外沒(méi)有其他公司站出來(lái)為這一目標(biāo)共同努力。我們認(rèn)為這需要更多的公司，至少幾十個(gè)，加入這個(gè)計(jì)劃并為這一長(zhǎng)期使命做出貢獻(xiàn)。現(xiàn)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(guān)注如何利用一個(gè)非常小的勞動(dòng)力，在另一個(gè)星球上建立一個(gè)完整的永久性社會(huì)。這就是 Relativity Space 將要關(guān)注的問(wèn)題：如何使用最少的勞動(dòng)力快速地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和擴(kuò)張。想想你能在火星上建立什么樣的工廠。
你當(dāng)然希望它是輕量級(jí)的，具有一個(gè)恰到好處的空間，并且在面對(duì)不熟悉的環(huán)境時(shí)，它足夠靈活，可以做出各種各樣的產(chǎn)品。我剛剛描述的恰恰就是 3D 打印機(jī)，這就是我們想要構(gòu)建的。我們?cè)诘厍蛏系墓�廠里制造火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)，所做的一切其實(shí)都是能夠指導(dǎo)我們?cè)诨鹦巧献龀鐾瑯映删偷幕�石。最后，我們想讓火箭從火星飛回地球，在火星上的社會(huì)需要自給自足必須涉及到商品的生產(chǎn)和出口。如果這種情況真的發(fā)生了，它將成為人類歷史上一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)然，在那之前你可以制造其他工業(yè)產(chǎn)品來(lái)幫助在另一個(gè)星球上建立完整社會(huì)。在追求這一目標(biāo)的同時(shí)也可以順便在地球上創(chuàng)造出一個(gè)真正了不起的企業(yè)。

來(lái)源：科研圈