金屬 3D 列印的火箭,能降低太空旅行的價格嗎?

馬斯克認為,將人類送去探索其他星球的最大障礙,不是技術,而是成本。

2016 年,馬斯克在第一次介紹火星計劃的演講中提到,將人類送去探索其他星球的最大障礙,不是科技,而是成本。當時,他預計利用現有技術打造一台火星飛行器需要100 億美元,而SpaceX 的使命是將單人單程票價控制在20 萬美元。

殖民火星。圖片來源:SpaceX

既能節省進入太空的成本,又安全可靠的技術就成了硬性需求,而3D 列印,正是其中一種省錢的方法。

2015 年,兩位分別來自SpaceX 和藍色起源的前員工創辦了Relativity Space。他們認為,這兩家在航太領域最尖端的公司都沒有充分利用3D 列印技術。其中,SpaceX 利用這項技術製造了獵鷹9 號的主要氧化劑閥門和龍飛船2 號的SuperDraco 引擎。Relativity 試圖用3D 列印技術製造完整火箭,壓縮製造成本,吸引更多對中小型發射有需求的運營商。

就在上個月,Relativity 宣布和Momentus 合作,Momentus 同樣也是一家擅長省錢的太空創業公司,他們使用水作為火箭的推進系統,然後打造出運載能力越來越強的「太空拖船」,為客戶提供太空飛行器變軌服務。合作方面,Relativity 負責發射Momentus 的衛星,然後後者再利用「太空拖船」將自家衛星變軌到地球同步軌道(geosynchronous orbit)。這兩家公司的合作備受資本和媒體的關注,它們也正在緩緩展開一幅美好圖景——人類離探索太空,乃至殖民太空又近了一步。

60 天,列印一架火箭

在宣布和Momentus 簽約之前,Relativity 已經和NASA 以及美國空軍達成合作,並於今年4 月拿下首個商業訂單,和衛星通信公司Telesat 達成協議。Telesat 將部署多達數百顆衛星的低地軌道(LEO)星座,讓Relativity 承擔部分發射任務。Telesat 此前已經和SpaceX、藍色起源等簽訂了合約,所以選擇Relativity 這樣一家創業公司,也能說明後者俱備一定實力。

「星際之門」。圖片來源:維基百科

Relativity 設計了一台近兩層樓高的3D 金屬印表機Stargate,它是目前世界上最大的用以製造火箭的印表機。據介紹,這台機器能在60 天之內將原材料變成能上天的運載工具,這也是他們將它取名為「星際之門」的原因。

這個列印系統裝有多個印表頭,每個臂都裝有雷射器,它還配備品質控制系統,包括雲端模擬、先進成像和檢測感應器等,並採用智慧學習技術。這些設計讓系統在列印完畢後能進行自動化組裝。公司正在用Stargate 列印Aeon 1 火箭引擎,還表示20 天就能製造這樣一台引擎,相比通常有數千個零件的發動機,Aeon 1 只有100 個零件。Relativity 還將列印運載火箭Terran 1,如果順利,這將是目前世界上第一台完全由3D 列印出來的火箭,它的零件比傳統火箭少100 倍。另外,相比傳統製造所需的12 到18 個月,Relativity 可以將製造火箭的周期控制在60 天。

Aeon 1 引擎。圖片來源:Relativity Space

Aeon 1 真空推力約8.8 噸,是Rocket Lab 的小型火箭發動機Rutherford 推力的4 倍,不到SpaceX 獵鷹9 號的Merlin 1D 發動機推力的十分之一。可以看出,Relativity 服務的是Rocket Lab 和SpaceX 所覆蓋不到的市場。

至於成本,創始人Tim Ellis 表示,以將1250 公斤載荷送入低地軌道為例,Relativity 收取1000 萬美元,這只有競爭對手的三分之一。3D 列印技術除了能讓發射成本降低,也能滿足客戶更靈活的定制需求,比如客戶可以根據不同的載荷調整整流罩的尺寸等。

正因為Relativity 技術的快速推進,它在當地時間10 月1 日對外宣布完成1.4 億美元C 輪融資。Ellis 表示,在這筆融資完成後,公司已經獲得了足夠的資金以完成Terran 1 的研製和最終的發射工作。但同時,Terran 1 首飛已經從2020 年底推遲到了2021 年初,部分原因在於公司將2 公尺寬的整流罩增加了3 公尺,荷載容量也因此增加了一倍。

太空便車

衛星行業在過去幾年發展迅速。據分析機構Bryce Space & Technology,行業在2017 年獲得了近2700 億美元的收入,而且趨勢向好。另外,據Global Market Insights 的數據,到2024 年,商業衛星發射服務的市場占有率將達到70 億美元。2018 至2024 年,LEO 在這個市場的複合年均增長率或將達到3%,因為相比於離地更遠軌道的部署,LEO 衛星的初始發射成本更低,部署時間更短,也能一次發射多星。

Momentus 設計的「太空拖船」。圖片來源:Momentus

因此,除了大型運載火箭,想要在LEO 上部署衛星的運營商需要更低成本的選擇。和Relativity 合作的Momentus 則提供了另一種方法。具體來說,為了節省發射成本,客戶一般會讓小衛星隨大衛星一同發射,但它們並不一定能一次性部署在特定的軌道上,衛星變軌很複雜,費用高昂,而且往往辦不到。針對這種情況,Momentus 想在在太空中解決太空飛行器「最後一英里」的需求。客戶可以用火箭將衛星等太空飛行器先集中送到一個地點後,再用Momentus 的「太空拖船」將太空飛行器搬運到最終進入的軌道。

官方表示,這種「搭便車」最多可以讓整個部署便宜10 倍。創始人Mikhail Kokorich 說,「希望從地球到LEO,以及從LEO 到月球軌道的100-200 公斤載荷的報價低於1000 萬美元」。

自研推進系統。圖片來源:Golden

而這一趟趟便車的技術基礎,來源於Momentus 自研的水等離子推進(water plasma propulsion)系統。這種發動機的工作原理是利用太陽能將水用微波加熱到太陽表面的溫度,並將過熱的氣體透過噴嘴噴出來,從而產生推力。Momentus 上個月底在太空成功測試水等離子推進器。這項16 個立方體衛星組成測試,首次證明利用微波電熱等離子技術,能夠實現較高比衝的推進,比目前人造衛星採用的離子推進器(氙、氪)造價低。

公司預計在今年推出Vigoride 服務,最大運載為250 公斤。公司還表示,將一組20 多顆重達20 磅的衛星分散到不同的軌道上,收取的費用大約為120 萬美元。之後還將推出運載能力更強大的「便車」。

小成本做大生意

就像馬斯克所說的,既然技術並不是人類探索太空的最大製約因素,那麼面對成本這個更大的難題,科技公司或許更應該切換思路,讓技術服務於成本控制,也從「省錢」上刺激技術的更新。

據Crunchbase 數據,成立4 年的Relativity 總共融資1.857 億美元。而成立還沒到2 年的Momentus 目前已融得3380 萬美元的資金。前者在完成最新一輪融資時透露,公司最近已經成功列印並組裝出了完整的二級火箭,也進行了超過200 次發動機熱實驗。後者也於近期證明水等離子技術的可行性和推進實力。「Momentus 的推進技術正在從根本上重塑太空經濟格局。」Prime Movers 實驗室創始人Dakin Sloss 這樣評價。

這些積極進展都讓這兩家公司的願景越發明晰。Relativity 的聯合創始人Jordan Noone 告訴美國合眾國際社,「公司創立時,我們就想在火星上列印火箭。我們希望在3D 印表機可以發現那裡的金屬和任何可用材料。」Ellis 說在未來,Relativity會把列印火箭的「工廠」縮小到可能塞進火箭裡的程度,然後帶到其他星球。

Momentus 在官網上展示了從2019-2022 中每年要發布的運輸服務,單從運載能力來看,從250 公斤,到300 公斤,到4000 公斤,再到入軌地球靜止軌道(GEO)能達10,000公斤的水準。水等離子推進也將用在2022 的「太空拖船」上。在未來,公司的運輸服務將觸及到從小心星到地月之間空間的運水、小行星採礦基礎設施部署和月球和火星再補給等業務。

OneWeb 衛星星座渲染圖。圖片來源:OneWeb但眼下,它們面前就有一塊誘人蛋糕。據The Verge 報導,目前地球軌道上有近2000 顆正在運行的衛星,但SpaceX、OneWeb 等衛星網際網路項目可能會使這一數字增加4 倍。它們將為環境監測和網際網路連接提供支援,同時,也能給致力於降低衛星進入太空成本的創業公司帶來商機。

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