颠覆了60年的航空航天业，3D打印成为航空航天自动化的圣杯技术

       航天工业正处于历史性繁荣之中。随着工业巨头迈出他们的第一次飞跃和载人航行到外太空，新的、更小的火箭公司不断涌现，就在2021年7月至12月，国内的星河动力（北京）空间科技有限公司完成总额12.7亿元B及B+轮融资。从世界范围内涌现的这些航天企业，为更快、更便宜、更好地进入太空的酝酿狂潮增添了新的色彩。

       本期，透过Relativity Space这家初创企业在3D打印方面的技术逻辑，与网友一起来感受3D打印如何成就航空航天自动化的圣杯。

© Relativity Space

深层颠覆，从技术源头开始

        Relativity 由 Tim Ellis 和 Jordan Noone 于 2015 年创立，这两位年轻的航空工程师有着创造完全 3D 打印火箭的伟大想法。在 Relativity 成立之前，Ellis在Blue Origin工作，而Jordan在SpaceX 研究 Dragon太空舱。

Relativity 的首次发射定于 2022 年初，该公司将在试飞中将其 Terran 1 火箭（一种两级、全 3D 打印的火箭）发射到太空中，以显示其可行性，这将是首次发射几乎完全3D 打印的火箭。

 完全打印，完全可重复使用

     Terran 1 是一款完全 3D 打印的两级运载火箭，根据 Ellis 的说法，这不仅仅是第一个完全 3D 打印的火箭，也是有史以来最大的金属 3D 打印物体。Terran 1 高35 米，直径2.3 m，整个主要结构都被3D打印出来了。Terran 1 是 Relativity 的第一枚火箭，但Relativity已经在开发下一款火箭：Terran R。

        下一步火箭必须是完全可重复使用的… …而3D打印正在助力火箭突破性能极限，实现可重复使用。Terran R既是完全 3D 打印的，又是完全可重复使用的。Terran R 的第一级、第二级及其有效载荷整流罩都将是可重复使用的。Terran 1火箭与Terran R火箭拥有相同的架构，相同的推进剂，相同的工厂，相同的3D打印机，相同的航空电子设备和相同的团队。而且Relativity Space即使发布了Terran R，公司也计划长期保留Terran 1以满足不同用途的发射。Terran R计划在 2024 年开始发射，Terran R 除了可重复使用外，还更大，可以携带更多。Terran R高66 m，宽4.9 m，Terran R的运载能力将是Terran 1的近20倍，可以向近地轨道发射超过20,000 kg的重量。

 竞争优势，从制造技术源头搭建

     那Relativity为什么要通过3D打印来制造火箭？如何看待3D打印给Relativity带来的竞争优势呢？类似于许多其他行业已经采用自动化和软件驱动技术所带来的制造能力的提升，3D 打印实际上只是一种将许多零部件合并在一起制造出来的自动化技术。基于3D打印这项技术，Relativity的目标是减少 100 倍的火箭零部件数量。

      的确是从零件的数量角度来看，自从阿波罗开始时，航空航天的基本前提确实没有改变，和 60 年前一样，航空航天业的工厂充满了固定工具和数十万到数百万个单独的零件，所有这些都是通过再组装而成，这是跨越非常复杂的供应链的一个过程。每个航空航天制造工厂仍在使用巨大的固定夹具和非常复杂的供应链来制造产品，并且开发新产品需要很多年。如果想进行一些细微的调整和更改，则必须将所有这些都抛弃，这对于任何一家现有的企业来说都是沉重的取舍。AMPower曾预测，到2023年，73%的增材制造航空航天零件将是最终产品零件（而不是用于原型用途）。一个最直接的颠覆性是3D 打印“简化了供应链，从零件的角度看，零件数量呈量级的减少，从材料角度看，Relativity的整个运载火箭只用四种原材料制造，这样的颠覆，是的3D打印将成为航空航天自动化的圣杯技术。

       不过，即使在国际层面看，Relativity 并不是第一家使用 3D 打印技术的火箭公司。SpaceX、波音和 Blue Origin 等公司已经集成了 3D 打印的不同部件。但目前看，该公司 3D 打印能力的规模是独一无二的。虽然早期在航空航天领域使用 3D 打印已经看到打印用于系统内的小型组件，但 Relativity 正在努力将火箭的重要部分全部打印为一个整体，从而显着减少使用的单个部件数量。凭借更少的零件、更少的步骤和更少的原材料，Relativity通过其独特的3D打印方法能够在从成本到制造火箭所需的时间等各个方面为公司带来巨大的优势。

       如果考虑到需要购买的长期硬件，普通火箭需要两年时间才能制造出来。Relativity正在努力在 60 天内从原材料进门到运载火箭制造完成，实现惊人的火箭交付能力突破制造。

 软件定义制造,不可避免的转变

     2021年，Relativity获得了投资者的大力支持。2021年初到2021年8月，Relativity在八个月左右的时间里筹集了大约 12 亿美元资金。Relativity 在加州长滩建设新的 100 万平方英尺（超过9万平方米）的超级工厂见证3D打印颠覆了 60 年的航空航天业，结合人工智能驱动的控制，Relativity 的 Stargate 3D 打印机不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

     作为一个垂直整合的技术平台，Relativity 处于向软件定义制造不可避免的转变的最前沿。通过融合 3D 打印、人工智能和自主机器人技术，Relativity 的超级工厂是开创未来的工厂。商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所谈到，每一个企业的转型都是非常艰难的选择，没有一个企业可以从一个山头直接”跳到”另外一个山头，这需要有一个”下山”和重新”上山”的过程。

      而对于Relativity Space这样的创新型企业来说，不存在“下山”的过程，这种轻身上阵带来了明显的优势。面向打造完全可重复使用的Terran R，Relativity Space以独特的技术与先发优势仰望新的“山顶”。2022 年1月27 日，Relativity Space 宣布该公司已被 NASA 选为该机构的VADR任务提供发射服务的12家公司之一，合同的订购期为 5年，所有 12 份合同的最高总价值为 3 亿美元。VADR 合同提供范围广泛的联邦航空管理局许可的商业发射服务，能够将有效载荷从立方体卫星到 D级任务交付到各种轨道。这些小型卫星和 D类有效载荷可承受相对较高的风险，是技术和架构创新的理想平台，有助于 NASA 的科学研究和技术发展。

       随着增加的NASA VADR 合同，Relativity 的第一颗火箭Terran 1号继续成为发射前历史上预售量最高的火箭。迄今为止，Relativity 已经从商业和政府实体获得了Terran 1号发射的合同，包括2022年晚些时候即将执行的 NASA VCLS-2 任务。