Космическая индустрия долгое время оставалась консервативной сферой, где создание ракет требует миллиардных бюджетов, гигантских заводов и ручной сборки миллионов деталей. Известный популяризатор науки Дерек Мюллер в репортаже для канала Veritasium отправился на фабрику стартапа Relativity Space, чтобы встретиться с его генеральным директором Тимом Эллисом. Вместе они разбираются, как технологии трехмерной печати могут полностью изменить устоявшийся за последние 60 лет подход к ракетостроению и сделать человечество межпланетным видом.
🖨️ Гигантский принтер Stargate и магия жидкого металла 0:00
В самом сердце производства стартапа Relativity Space находится Stargate — крупнейший в мире металлический 3D-принтер. Главная цель компании амбициозна: напечатать целую ракету, включая топливные баки и ракетные двигатели, всего за 60 дней.
Процесс печати внутри Stargate напоминает футуристическое зрелище. Из-за мощного ультрафиолетового излучения от сварочной дуги операторам и посетителям приходится использовать специальную защитную экипировку, чтобы избежать мгновенных ожогов.
В основе технологии лежит непрерывная подача алюминиевой проволоки на печатающую головку, которая движется с высокой точностью. Роботизированная система сочетает действие лазеров и плазменного дугового разряда для одновременного плавления подаваемого материала и подложки.
Управление процессом наплавления происходит на микроуровне:
- Каждые несколько миллисекунд система меняет форму электрического сигнала, контролируя подачу металла.
- Температура в зоне сварки поддерживается на несколько сотен градусов выше точки плавления алюминия, которая составляет 660 °C.
- Скорость печати достигает 10 дюймов (около 25 сантиметров) проволоки в секунду.
Вся ракета буквально собирается по одному крошечному кусочку жидкого металла за раз, а исходный материал на катушках Тим Эллис в шутку сравнивает с прочной паутиной из «Паутины Шарлотты».
🛠️ Почему традиционный подход устарел: уроки NASA и Space Shuttle 2:53
Любая ракета состоит из четырех основных систем: полезной нагрузки, системы управления, конструкции корпуса и двигательной установки. Большая часть объема и массы приходится именно на двигательную установку и топливные баки. Традиционное производство таких конструкций — это сложнейший инженерный вызов, требующий колоссальных затрат на предварительную подготовку.
Тим Эллис отмечает ключевую проблему старой школы: прежде чем построить саму ракету, вам необходимо построить гигантские инструменты для ее сборки. В качестве примера приводится Вертикальный сборочный центр (VAC) космического агентства NASA стоимостью в миллионы долларов и высотой 170 футов (около 52 метров), созданный исключительно для сварки куполов и секций баков ракеты SLS. На проектирование, валидацию этой кастомной оснастки и сборку первой ракеты у NASA ушло 11 лет.
В противовес этому, Relativity Space использует подход, свойственный ИТ-индустрии Кремниевой долины: быстро создать прототип, протестировать, выявить ошибки и сразу же напечатать новую, исправленную версию. Отсутствие жесткой фиксированной оснастки позволяет компании, которой на момент съемок исполнилось всего пять с половиной лет, подготовить к полету в космос структуру бака Terran 1 — крупнейшего напечатанного изделия в истории авиации.
При этом внешняя текстура бака сохраняет характерную для 3D-печати слоистость. По словам Тима Эллиса, шероховатость поверхности добавляет всего от 5% до 10% к общей массе и совершенно не влияет на аэродинамику изделия. Чтобы избежать деформации металла при остывании, инженеры компании создали специальное программное обеспечение. Этот вычислительный комплекс симулирует процесс печати и заставляет роботов двигаться по сложной, намеренно «искривленной» траектории, благодаря чему готовое изделие остывает и становится идеально прямым с точностью до человеческого волоса.
🔬 Секреты материаловедения и охлаждение двигателей 7:31
Аэрокосмические гиганты начали точечно применять 3D-печать металлом еще более десяти лет назад, но использовали ее преимущественно для мелких и сложных деталей, таких как инжекторы двигателей. Инжектор смешивает жидкое топливо и окислитель в мелкодисперсный туман для последующего сгорания.
Классический инжектор двигателя, работающего на жидком кислороде и жидком метане, обычно собирается из более чем тысячи отдельных компонентов, а его производство занимает около девяти месяцев. На фабрике Relativity Space весь инжектор печатается как единая монолитная деталь всего за две недели, что обходится в 10 раз дешевле.
Еще один триумф аддитивных технологий — создание камер сгорания и сопел. Температура внутри работающего двигателя достигает 3500 Кельвинов. Этого достаточно, чтобы расплавить любой существующий металл. Чтобы конструкция не превратилась в жидкую лужу, ее охлаждают, пропуская криогенные компоненты топлива через стенки двигателя.
Дерек Мюллер напоминает, как эта задача решалась на основных двигателях Space Shuttle:
- Внутри двигателей температура была настолько высока, что железо могло закипеть, а снаружи стенки покрывались инеем из-за циркуляции жидкого водорода.
- Для создания охлаждающей рубашки инженерам приходилось брать 1080 тонких металлических трубок, вручную придавать им форму сопла и сваривать их методом пайки.
- Это был невероятно трудоемкий и долгий процесс.
Современные принтеры Relativity Space создают сопло целиком за неделю с помощью технологии лазерного сплавления металлического порошка. Четыре лазера одновременно спекают порошок слоями толщиной в 1/20 человеческого волоса, формируя охлаждающие каналы прямо внутри стенок детали.
Вопреки расхожему мнению о хрупкости напечатанных объектов, Тим Эллис утверждает, что их металл получается прочнее традиционного. Секрет кроется в собственной команде материаловедов, разрабатывающей уникальные сплавы, а также в физике процесса: металл плавится лазером и застывает чрезвычайно быстро, что создает особую прочную кристаллическую структуру.
🧬 Биоморфный дизайн и StarCraft в цехах компании 11:53
Полный отказ от фиксированных станков и переход на цифровое управление («software-driven manufacturing») открывает инженерам невиданную свободу. Геометрия деталей задается исключительно CAD-моделью в компьютере, что позволяет менять дизайн на лету. Создание нового варианта двигателя занимает около месяца, позволяя постоянно улучшать конструкцию от версии к версии.
3D-печать позволяет реализовывать плавные, округлые, биоморфные структуры, которые невозможно или нецелесообразно производить старыми методами. Например, основание бака для следующей, еще более крупной ракеты Terran R диаметром 16 футов (около 5 метров) имеет волнистую структуру, напоминающую морскую раковину или крыло стрекозы. Тим Эллис подчеркивает, что это не эстетический каприз, а математически просчитанная оптимальная форма для обеспечения максимальной жесткости конструкции.
Руководитель компании проводит аналогию с автомобильной индустрией:
«Переход на 3D-печать в ракетостроении фундаментально похож на переход от двигателей внутреннего сгорания к электромобилям. Долгое время традиционные автогиганты вроде Nissan или Ford пытались просто вставить батареи в старые кузова, и получалось плохо. Настоящую революцию совершила Tesla, которая поняла, что под электромашины нужно полностью перестроить архитектуру, заводы и цепочки поставок».
Главный «грязный секрет» автоматизации Tesla заключается в резком снижении количества деталей. Relativity Space идет по тому же пути: их полностью напечатанная ракета имеет в 100 раз меньше деталей, чем классическая. В то время как остальная аэрокосмическая отрасль даже спустя десятилетия после программы «Аполлон» продолжает собирать изделия вручную из миллионов элементов, стартап полностью убирает жесткую оснастку со своей фабрики.
Интересной деталью внутренней культуры компании является любовь к компьютерной игре StarCraft. Практически все ключевые проекты названы в ее честь: принтеры носят имя Stargate (Звездные врата протоссов), а один из элементов авионики называется Pylon (Пилон). Тим Эллис шутит, что их инженерам регулярно приходится «возводить дополнительные пилоны» на производстве.
🤖 Роботы против принтеров: автоматизация космоса и путь на Марс 14:55
Обыватели часто думают, что современные передовые космические заводы, включая SpaceX Илона Маска, уже заполнены роботами, как автомобильные конвейеры. Однако, по словам Эллиса, это заблуждение — классическая аэрокосмическая индустрия практически не автоматизирована.
Причина кроется в штучном производстве. Никто не выпускает ракеты сотнями в день, как легковые машины, поэтому экономически невыгодно строить дорогую автоматизированную линию под конкретную модель. Кроме того, коммерческий самолет или ракета состоят из нескольких миллионов деталей, тогда как автомобиль — лишь из десятков тысяч. Роботизированная сборка миллионов элементов — это слишком сложная задача при малых объемах выпуска.
В этой ситуации 3D-печать становится идеальной формой автоматизации для космоса. Вместо того чтобы заставлять роботов состыковывать и сваривать миллионы деталей, инженер собирает их воедино прямо в цифровом 3D-файле, а принтер выдает деталь уже «собранной».
Ближайшие планы Relativity Space связаны с выведением полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту с помощью Terran 1, но глобальная цель куда масштабнее. Тим Эллис основал компанию ради идеи колонизации Марса. Он убежден, что для освоения Красной планеты потребуются сотни предприятий. В перспективе Relativity Space планирует уменьшить свой «завод будущего» до таких размеров, чтобы его можно было запустить на Марс на ракете Terran R и развернуть там полноценную промышленную базу для печати инфраструктуры прямо на месте.
Дерек Мюллер в своем анализе отмечает, что фабрика компании пока выглядит лишь как легкий прототип по сравнению с традиционными заводами. При этом Мюллер подчеркивает коммерческую устойчивость стартапа: даже если ракета Terran по каким-то причинам не сможет занять свою нишу на рынке коммерческих пусков, Relativity Space уже обеспечила себе будущее, став главными мировыми экспертами в сложнейшей области аддитивного производства ракетного оборудования.
