相對論公司：火箭完全靠“打印”

文/李晨風

▲ 相對論公司的火箭外觀有點像獵鷹9號火箭

相對論太空公司的亮點，是首先制造了一臺全球最大的金屬3D打印機，垂直整合了人工智能、機器人技術和專利自主制造技術。這家公司自稱，可以在不到60天的時間里，打造出一枚完整的火箭。據說這也是全球首個完全用3D打印的火箭，起名為人族1號(Terran1)。

一年打印12枚火箭

按照相對論公司的說法，基于3D打印的設計和生產方法，讓“人族1號”的零件數量比傳統火箭少了100倍，這大大加快了生產速度，也減少了裝配過程中出現人為錯誤的機會。因此他們自稱，正在為航空航天生產的質量、速度和成本建立一個新的標準。

相對論公司利用兩種3D打印技術制造了人族1號火箭超過90%的干物質。這種專用的大尺寸打印機外號“星門”，用來生產火箭一級和二級的結構，具體材料是鋁合金。“星門”目前可以打印直徑達3.4米、高達7.6米的結構，號稱世界上最大的金屬打印部件。每臺“星門”打印機都包括實時現場監控、檢查和后期處理功能，采用計算機視覺和機器學習技術，實現高度非線性、高度耦合過程。每個打印部件都具備可追溯性，并且采用多種方式來檢查和識別零件的機械性能，如微觀結構、硬度測試、顯微鏡。

通過這種方法，相對論公司建設了世界上第一條使用數據驅動學習技術來跟蹤和改進火箭制造的可進化航空航天生產線。據說這種工藝可以年產12枚火箭。

“人族”和“星門”，這兩個奇怪的名字意味著，相對論公司的創業者們不但是科幻迷，還是電子競技迷。“人族”這個詞匯出現在暴雪公司的《星際爭霸》系列游戲當中，而“星門”幾乎是所有太空科幻電影當中用來穿越宇宙的工具。

人族1號火箭

人族1號火箭其實不算很小，它高度達到35米，直徑2.3米，已經是中型火箭的規格了。它是一種一次性使用的兩級運載火箭，采用甲烷和液氧為燃料。

人族1號火箭的第一級由3個主要部件組成：發動機、1級儲箱和級間段。儲箱采用共底結構，和結構一樣是打印出來的單件，通過水平焊接與1級結構連接。一級裝有9個Aeon-1發動機，每臺發動機海平面推力可達100千牛左右，起飛總推力最高可達900千牛。

人族1號火箭通過集成在Aeon-1發動機中的熱交換器，用氣態甲烷和氣態氧對儲箱進行自生增壓，無需單獨的增壓系統，完全避免了在火箭上使用氦。發動機排列方式為外8內1，用電動機械萬向節控制外圈8個發動機的噴射方向，實現推力矢量控制。

▲ 人族1號火箭的殼體和整流罩

二級火箭同樣采用共底儲箱，并且承載著有效載荷適配器和整流罩。二級采用一臺Aeon-1發動機，針對高空環境配用165:1膨脹配管，推力可以達到128千牛，并能夠多次重新啟動，包括規定的脫軌燃燒。與一級火箭相似，儲箱增壓也是通過氣態甲烷和氣態氧實現的。

人族1號火箭采用比較傳統的兩瓣式整流罩，有效載荷適配器上裝有相機，用來監視有效載荷的在軌分離。

▲ 相對論公司的工程師正在測量打印部件的尺寸

人族1號火箭的設計中，高度重視簡化有效載荷的設計要求。其不但同時支持工業標準和自定義接口，還可以使用商業現貨的適配器和分離硬件。

人族1號火箭的電子系統包括飛行計算機、全球定位系統（GPS）、慣性測量單元（IMU）、遙測處理器、自定義數據采集和車輛控制處理機、高速傳感器套件、電池和相機，等等。這與其他火箭基本類似。

兩地發射

相對論公司在美國宇航局斯坦尼斯中心的E2、E3和E4試驗場建立了試驗設施。其中E2試驗場用于發動機部件測試，包括燃燒室組件點火。E3測試場是主要發動機試車設施，也包括點火器和燃氣發生器測試。E4試驗場由4個試驗單元組成，負責發動機的生產試驗和火箭分級試驗。

相對論公司的主要發射場設置在卡納維拉爾角空軍基地的LC-16號工位。這里是中低傾角軌道的理想選擇，號稱低軌道最大運載能力達到1500千克。相對論公司還在加州范登堡空軍基地開發B330工位，支持大傾角軌道飛行。