Нужны ли миру ракеты, напечатанные на 3d принтере?

  • 2
    Поделились

Безупречно чистые полы, которые недавно можно было видеть на рекламных фотографиях компании Relativity Spaces, сегодня истерты и покрыты типичным для механической мастерской мусором. Внутри пакгауза фирмы на окраинах Лос-Анджелеса, три роботизированных манипулятора грандиозно нависают над заполненным катушками металлической проволоки контейнером. В крышке контейнера видна неровная дыра, словно кто-то неудачно пробил ее. На дыре приклеена клейкая лента, чтобы закрыть острые края отверстия. Это машина, которая была доведена до пределов возможности, в обслуживании гордой цели. Под руководством своих основателей, Тима Эллиса (Tim Ellis) и Джордана Нуна (Jordan Noone) компания Relativity пытается всего за 60 дней создать 95% своей ракеты Terran 1, используя 3d печать.

Вы все прочитали правильно: план заключается в том, чтобы из сырья за два месяца получить готовую к взлету ракету. Если это звучит слишком дерзко, то это потому, что так оно и есть. Очень дерзко. 3d печать набирает обороты в индустрии космических полетов – все, от SpaceX, до Blue Origin, от менее известных новичков, и до старой гвардии в ракетостроении, пытаются использовать эту технологию. И кто-то продвинулся настолько далеко, чтобы полностью печатать собственные двигатели. Но даже инженеры, находящиеся на переднем крае 3d печати в ракетостроении, не знают, что делать с недавно появившейся фирмой Эллиса и Нуна. И многие из них считают, что эти парни просто сошли с ума.

Традиционно, для аэрокосмической отрасли не характерны быстрые изменения, и тому есть причина: ракета – это управляемый взрыв, который создает серьезные риски для затраченных на нее огромных средств, а иногда, и для жизней людей. Компания Relativity нацелена на то, чтобы победить скептиков и недоверчивых, запланировав тестовый пуск в 2020 году. Проблема в том, что они еще даже не напечатали всей ракеты.

В принципе, ракета состоит из четырех основных частей: полезной нагрузки, системы управления, силовой установки и конструкции. Полезная нагрузка – это то, что ракета несет. Система управления состоит из датчиков, которые удерживают ее на цели, а силовая установка содержит топливо и двигатель, который заставляет ракету двигаться. Конструкция ракеты – это остальной каркас, конус и стабилизаторы ракеты – то есть, то, что обычно изготавливается с использование высокоточных фрезерных станков с ЧПУ и ручной сварки.

Из сказанного следует, что за каждым успешным запуском ракеты стоит огромный труд и разветвленная сеть поставщиков, совместно работающих для того, чтобы собрать каждую ракету. Упростив цепочку поставки, компания Relativity надеется значительно сократить время производства.

Но эта цель 3d печати более чем 30-метрового корпуса и топливного бака порождает дополнительную проблему: необходимо создать принтеры, способные справиться с этой задачей. «Создание компании по выпуску ракет – это очень сложная задача, создание компании по выпуску 3d принтеров – не менее сложная задача, а решение двух этих задач одновременно вообще граничит с безумием, – говорит Эллис, занимающий должность президента Relativity. – Но хотя это является наиболее трудной частью работы, это также и тот секретный соус, который сделает Relativity компанией, изменяющей мир».

Напечатанный бак ракеты
Если Terran I собирается отправиться в космос, то ее топливный бак высотой более 3 метров, должен идеально работать

Однако до того, чтобы изменить мир, необходимо пройти длинный путь. «Мы не запустим ракету, пока не разработаем эти технологии 3d печати металлом, – признает Эллис. — А решения этой задачи нужно что-то вполне экзистенциального пинка под зад, чтобы понять, как делать это, поскольку это – единственный способ, которым мы намерены фактически достичь своей цели».

 Дети Stargate

Единственный 3d принтер компании, Stargate («Звездные врата»), высота которого равна 6 м, находился на службе у компании с тех пор, когда она в 2017 году вышла из тени.  Но теперь он почти выведен из строя. В расположенном поблизости здании находятся четыре новых, еще не использованных моделей. Каждый из них закрыт черными длинными створками, идущими от потолка пакгауза до пола, и выдающими свою новизну резким запахом пластмассы. На одном из них висит небольшое игрушечное баскетбольное кольцо – словно до сих пор он чаще играла роль баскетбольного щита, а не 3d принтера для ракет.

Огромный рисунок, занимающий всю стену, дает представление о видении компанией будущего: весь пакгауз заполнен исключительно принтерами Stargate, небольшими принтерами и роботизированными манипуляторами. Рай для инженера, но кошмар механика. Это – лозунги «роботы лишают нас работы» в виде рисунков на стене.

Гигантские станки, похоже, ухмыляются при мысли о десятилетиях сборки ракет. При выполнении программы Apollo, инженеры столкнулись с огромными сложностями, пытаясь добиться идеальной сварки для ракет серии Saturn. Даже опытные сварщики были вынуждены получить специальную подготовку, чтобы выполнять длинные точные сварочные швы. Теперь, всю сварку ведет робот.

3d принтер Stargate и его потомки используют вариант технологии, называемой прямым подводом материала. Традиционные методы производства заключаются в вырезании готового продукта из блока материала. Вместо этого при 3d печати объект формируется слой за слоем, что позволяет создавать облегченные объекты со сложной внутренней структурой, которые невозможно изготовить другим способом. Наиболее распространенная форма 3d печати называется FDM (моделирование расплавленным материалом) – материал (часто его роль играет пластмасса), расплавляется и выдавливается из форсунки в точную позицию создаваемого объекта. Объедините это со сваркой, и вы получите технологию непосредственного подвода материала.

Основой сварки является подача непрерывного потока металлической проволоки с одной стороны и тепла – с другой. Принтер Stargate делает это автоматически, подавая проволоку из экструдера в конец высокого роботизированного манипулятора. Металл нагревается, используя электрическую плазму (а иногда, и лазер) и затем выкладывается под управлением компьютера. Объединение электронного управления, камер тепловизоров и датчиков, установленных вблизи места подачи материала, позволяет управлять процессом печати создаваемого объекта. «Наше видение 3d печати – это программно-управляемая автоматизация производства для аэрокосмической отрасли, — говори Эллис. — Оно простирается в направлении долгосрочного видения напечатанных на 3d принтере ракет на Марсе. Это именно те инструменты, которые нам потребуются для реального строительства на других планетах».

То, как говорит Эллис о своей компании, напоминает экзальтации Илона Маска по поводу SpaceX и Tesla, с той только разницей, что Эллис говорит о том, что он заполняет часть картины освоения Марса, о которой Маск еще не упоминал. «Идея заключается в том, чтобы иметь два продукта. Один – это ракета. Второй – это фабрика, — говорит он. — Со временем мы увидим, что фабрика может становиться все меньше и меньше, пока не превратится в то, что мы сможем отправить с помощью большой ракеты». Другими словами, вы делаете машину, которая делает другие машины. И затем отправляете ее на Марс. Все очень просто.

Компания Relativity в прошлом месяце сделала небольшой шаг в направлении этого видения, заявив, что она подписала девятилетний договор аренды с НАСА, по которому она получает сооружение площадью в 2 гектара в Миссисипи, где будет размещена ее первая автономная фабрика по производству ракет.

Но другие компании, которые активно используют 3d печать (так называемое аддитивное производство), не совсем уверены в том, что именно так выглядит будущее. Компания Rocket Lab, одна из небольшого числа малых компаний, запускающих спутники коммерческого назначения, применяет аддитивное производство для создания двигателей, клапанов, патрубков и ряда других сложных компонентов. Ее президент, Питер Бек (Peter Beck), говорит: «Не существует способа, благодаря которому мы могли бы, не прибегая к технологии 3d печати, выпускать двигатели такого объема и с такими характеристиками, которые мы сегодня производим». Но делать всю ракету целиком? «Печатать на 3d принтере блок авионики, или бак, или что-то подобное, не имеет смысла, потому что для таких работ существуют намного более эффективные процессы, – говорит Бек. – Я не хочу портить праздник Тиму, я искренне желаю ему удачи, но с инженерной точки зрения, для нас такой подход не имеет никакого смысла».

В конечном счете, это именно клиентам требуется доказательства мудрости подхода компании Relativity. Как и большинство ракетных компаний, до своего первого запуска Relativity предлагает своим клиентами лишь данные испытаний и собранную группу специалистов. «В конечном счете, нам приходится использовать веру и решительные шаги, – говорит Эллис. – Ну, да, уверенность достаточно велика. И определенно, этот процесс приведет нас к цели».

Естественно, что некоторые клиенты захотят сделать такой решительный шаг. Компания Relativity уже объявила о трех клиентах, заказавших пуски в 2021 и 2022 годах: Это канадская телекоммуникационная компания Telesat, компания Spaceflight из Вашингтона (которая занимается запуском навигационных спутников в составе более крупных пусков), и компания из Таиланда mu Space. Нун говорит, что как только компания Relativity покажет в 2020 году, что способна осуществлять успешные пуски, он планирует увеличить ежегодное число запусков своих ракет с 12 до 24.

Агрессивные планы такого сорта основаны на истории компании. Три года назад, вскоре после того, как Эллис и Нун покинули свои первые после колледжа места работы в компаниях Blue Origin и SpaceX, соответственно, они обратились по электронной почте к инвестору Марку Кубану (Mark Cuban) с просьбой проведения начального финансирования новой компании. Тема сообщения была следующей: «Космос привлекателен: 3d печать всей ракеты». Кубан, который основную часть своего бизнеса вел по электронной почте, ответил через пять минут, сообщив, что он согласен инвестировать 500 000 $. Что он и сделал через два месяца. По словам Кубана, его привлек не элемент аддитивного производства. «Сама идея была уникальной. Хотелось бы, чтобы ее предложил я, – говорит он. – Ребята обладали квалификацией, они были местными (Эллис сам из Техаса, где живет Кубан).

С момента своего появления, компания Relativity «не убирала ногу с педали газа». В прошлом году ее штат увеличился с 14 человек до 80. Сегодня в группу специалистов компании входит Тим Базза (Tim Buzza), один из первых сотрудников SpaceX, и бывший вице-президент по запускам ракет в компаниях SpaceX и Virgin Orbit. Также членом команды является и Дэвид Гиджер (David Giger), проработавший 12 лет в SpaceX в должности старшего директора инженерной разработки капсулы Dragon.

3d принтеры Stargate
Люди пока все еще участвуют в работе принтеров Stargate – по крайней мере, в данный момент

Эллис, ведающий наймом персонала и мобилизацией капитала, похоже, не испытывает проблем, завоевывая людей на всех уровнях. Он является членом консультативной группы пользователей Национального совета по космосу при Белом доме, и это помогает тому, что контракты и средства продолжают поступать в его компанию. Компания Relativity завершила очередной раунд сбора средств на сумму 35 миллиона долларов. Она подписала договор с НАСА об испытаниях ее двигателей в Космическом центре Stennis в Миссисипи (тот самый центр, куда должна перебраться ее автономная фабрика), и получила разрешение на запуск в одном из наиболее престижных пусковых мест в мире: на мысе Канаверал во Флориде.

Последнее достижение компании, о котором было объявлено в январе – это постановка в очередь запуска Terran 1 с известного Пускового комплекса 16, с которого запускались ракеты Titan, программа Apollo и программа Gemini. В результате таких заметных шагов имя Relativity стало появляться в разговорах о таких компаниях, как SpaceX, Blue Origin, и United Launch Alliance, которые раньше были единственными компаниями, получившими право запуска с мыса Канаверал.

Напечатнные узлы ракеты для испытаний
Создание ракеты на 3d принтере означает изготовление элементов для испытаний, разрезание их на части и проведение дополнительных испытания. Мы упомянули испытания?
Взлет 3d печати

Компания Relativity далеко не одинока в своих надеждах на то, что 3d печать выведет ее в ряды элиты космических полетов. Такие недавно появившиеся компании, как Virgin Orbit, Firefly, и Electron, также стремятся доказать, что они, как и компания Rocket Lab, обладают всем тем, что требуется для запуска малых спутников в космос. Даже такие  компании с уже установившейся репутацией, как Aerojet Rocketdyne, пытаются продемонстрировать, что 3d печать не хуже, если не более надежна, чем традиционные методы производства.

Но ни одна из компаний не продвинулась так далеко и так быстро, как Relativity. Компания Aerojet выпускает двигатели по правительственным контрактам, и такие ракеты для полета человека, как Space Launch System от НАСА, которые должны обладать дополнительной совместимостью и надежностью. Компания говорит, что более 60% ее научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области 3d печати представляют собой всего лишь составление базы данных о химических и структурных свойствах различных материалов. «Другие могут игнорировать подобные работы. И это их право занимать позицию, в которой принимаются возможные риски», – говорит старший менеджер по передовым программам в Aerojet, Джеф Хейнс (Jeff Haynes).

В противоположность этому, в Relativity, «если мы установим полностью напечатанный двигатель на испытательный стенд, успешно запустим его и затем взлетим на нем, то для нас это будет успехом, – говорит Нун. – Можно составить сотни листов спецификаций, говорящих о том, как это сделать, и как его изготовить, но мы идем своим путем. Я не хотел бы заниматься спецификациями вместо того, чтобы пробовать что-то и демонстрировать, что это работает».

Такой подход «быстрого движения вопреки традициям» вызывает бессонницу у большинства дизайнеров ракет. Конкурент Relativity, компания Virgin Orbit, в своей первой ракете LauncherOne использует детали, полученные на 3d принтерах, но она не стремится отказываться от принятых технологий. «Для производства двигателя ракеты LauncherOne сегодня используются очень надежные методы, прошедшие проверку в НАСА с 1950-х и 1960-х годов, потому что основным приоритетом для первого запуска ракеты является надежность», – говорит руководитель современного производства в Virgin Orbit, Кевин Загорски (Kevin Zagorski).

Другие компании также развивают аддитивное производство, от компании Джеффа Безоса (Jeff Bezos), Blue Origin – где Эллис во время своей интернатуры приложил руку к покупке первого в компании 3d принтера для печати металлом – до небольшой новой компании Launcher, заявляющей, что она изготовила крупнейший в мире двигатель для ракет, напечатанный на 3d принтере. Такие серьезные игроки в этой области, такие как SpaceX, НАСА, Rocket Lab, United Launch Alliance, и ArianeGroup также вышли на ринг 3d печати.

Причины, по которым большинство из этих организаций обращаются к данной технологии, двоякие: вы получаете возможность создать что-то с меньшим количеством деталей, и у вас появляется возможность быстрее менять дизайн. Вначале, Бек из Rocket Lab видел, что аддитивное производства набирает плохую репутацию, так как оно использовалось неэффективно. «Кто-то берет компонент, полученный с помощью субтрактивного производства (т.е., традиционными методами, на станках) и пытается напечатать его на 3d принтере. Это оказывается более дорогим и требует больше времени, – говорит он. – Но, как и в случае любой новой технологии, все связано с новыми процессами. Детали, полученные с помощью 3d печати, великолепны там, где вы сталкиваетесь с очень высокой сложностью, и собираете множество деталей в одну».

Со своей стороны, компания Relativity заявляет, что в ракете Terran 1 будет в сто раз меньше деталей, чем в стандартной ракете. Ее двигатель, Aeon 1, состоит только из трех, соединенных вместе деталей.

Какова здесь доля рекламной шумихи, сказать тяжело. Очень соблазнительно объявить, что вы сделали что-то впервые, особенно для небольшой, новой компании. Например, Relativity заявляет, что построила самый большой 3d принтер для печати металлом – как это делают Sciaky и Titomic, две компании, выпускающие промышленное оборудование, и не занимающиеся космическим бизнесом. «Все хотят попробовать и чем-то выделиться, пытаясь вырваться вперед, – говорит Бек. – Если кто-то хочет говорить что-то о 3d печати, то это хорошо, но иногда это бывает забавным».

Даже если 3d печать целой ракеты не имеет практического применения, «Я реально уверен, что в любом случае, это приведет к полезным последствиям», – говорит Дэн Ирвин (Dan Erwin), руководитель отделения аэрокосмической техники в Университете Южной Калифорнии. Ирвин руководил ракетной лабораторией университета, когда тут учились Эллис и Нун, но после этого не работал с ними. «Я интуитивно чувствую, что это одна из вещей категории ‘Если вам удастся сделать, оно поедет’ «, говорит он. Независимо от того, сможет ли компания Relativity запустить свою ракету в следующем году, она вынуждает медленно двигающуюся отрасль обратить внимание на, возможно, более совершенную технологию, которая уже используется вне аэрокосмической отрасли. Конечным результатом этих усилий может оказаться всего лишь новое поколение 3d принтеров. Но, может быть, появится ракета для полета на Марс, которую нам все обещают. «Жизнь слишком коротка, чтобы просто ждать, когда наступит будущее, – говорит Эллис. – Мы должны сами создавать его».


  • 2
    Поделились

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *