3D-tryckta raketer inställda på att sprängas av

Om sommarens Terran1-lansering från Cape Canaveral blir en succé, Relativitetsutrymme kommer att vara det första flygtillverkningsföretaget att skicka en helt 3D-printad raket ut i rymden. Strax efter ringde en startup i Kalifornien Launcher kommer att distribuera sin Orbiter-satellitplattform som drivs av 3D-printade raketmotorer efter att ha fått ett lyft ut i rymden från en SpaceX.

Det är svårt att överskatta effekten 3D-utskrift – även kallad additiv tillverkning – har haft på rymdindustrin. Ingen annan teknik har gjort det möjligt för så många företag att komma in i den här branschen och leverera fordon, motorer och raketer på så kort tid till så låga kostnader. Och nu är antalet nystartade rakettillverkare redo att växa när fler kommersiellt tillgängliga 3D-skrivare visar sig klara uppgiften att ta fram utrymmesvärda komponenter.

Till exempel ett brittiskt flygföretag Orbex hoppas att deras 3D-printade raketer, gjorda med den senaste 3D-skrivaren i metall från tyska tillverkaren EOS, kommer att sprängas av från Skottland i slutet av året. Och i USA, ung raketmotortillverkare Ursa Major tar nu beställningar på sin nya Arroway-framdrivningsmotor designad för att ersätta de nu otillgängliga rysktillverkade framdrivningskällorna. Det är också 3D-utskrivet med tillgängliga metall 3D-skrivare.

"Jag tror inte att vårt företag skulle existera utan 3D-utskrift", säger Jake Bowles, chef för avancerad tillverkning och material på Ursa Major, som tillbringade fem år på SpaceX. "Vår utveckling var starkt knuten till 3D-utskrifts existens och mognad."

Ursa Major bestämde sig för att få ut en motor på marknaden i en mycket snabbare takt än den hade gjorts tidigare, på månader och inte år, vilket bara var möjligt genom prototyper och tillverkning med 3D-skrivare, säger Bowles.

Medan Relativity Space och andra har utvecklat egenutvecklad 3D-utskriftsteknik för sina raketer, säger Bowles att användningen av nya kommersiella 3D-skrivare gjorde det möjligt för Ursa Major att hålla kostnaderna under kontroll och upprepa konstruktioner snabbt, utan att behöva snubbla igenom den tidiga teknikutvecklingen som krävs med hemmagjorda 3D-skrivare .

"Vårt team utvärderar ständigt nya 3D-skrivarföretag som kommer med innovationer eftersom det finns stor konkurrens om en del av flyg- och rymdmarknaden", säger Bowles. Den globala 3D-utskriftsmarknaden för flygindustrin förutspås uppgå till 9.27 miljarder dollar år 2030, enligt Strategic Market Research.

Företag tävlar om att erbjuda de mest kraftfulla, flexibla och billigaste alternativen till företag, som AmazonAMZN
, som vill sätta satelliter i omloppsbana för att leverera globalt bredband, fånga högupplösta bilder av aktivitet på jorden och till och med etablera privata rymdstationshotell för de ultrarika.

3D-utskrift ger fart på att kommersialisera rymden

Med additiv tillverkningsteknik som minskar uppskjutningskostnaderna med så mycket som 95 % jämfört med NASA:s rymdfärjaprogram, är dörren öppen för fler tjänster från omloppsbana som driver hård konkurrens bland rakettillverkare. Launchers företagsslogan lyder som en Walmart-annons: "Var som helst i rymden till lägsta kostnad."

Att sänka miljonbelopp på kostnaden för att distribuera satelliter fick nyligen Launcher-finansiering från den amerikanska rymdstyrkan för att vidareutveckla sin E-2 3D-printade, högpresterande flytande raketmotor för uppskjutningsfarkosten Launcher Light, planerad att flyga 2024. US Space Force sa: "Launchers E-2 flytande raketmotor har potentialen att avsevärt sänka priset för att leverera små satelliter i omloppsbana på dedikerade små bärraketer, vilket är en nyckelkapacitet och prioritet för rymdstyrkan."

För att minska kostnaderna och påskynda produktionen använder Launcher även 3D-skrivare från EOS samt Kalifornien-baserade Velo3D.

"Turbopumpdelar för raketmotorer kräver vanligtvis gjutning, smide och svetsning", säger Max Haot, grundare och VD för Launcher. "Verktyg som krävs för dessa processer ökar kostnaderna för utveckling och minskar flexibiliteten mellan design iterationer. Möjligheten att 3D-printa vår turbopump, inklusive roterande Inconel-höljda pumphjul, tack vare Velo3Ds nollgradersteknologi, gör det möjligt nu till en lägre kostnad och ökad innovation genom iteration mellan varje prototyp.”

Med traditionella tillverkningsmetoder för flyg- och rymdindustrin är det vanligt att höra om nio till 12 månaders ledtider och enorma utgifter för verktyg för att bygga och testa, ungefär som en pumpmatad syrerik stegvis förbränningsmotor, säger Eduardo Rondon, en senior framdrivningsmotor. analytiker på Ursa Major, en annan SpaceX-veteran. "Additiv tillverkning gör att vi kan sätta en ny design på testbänken, bestämma oss för att göra en förändring, arbeta på en alternativ arkitektur, skriva ut den och få den på montern på några veckor."

Orbex 3D skriver ut sina raketer på samma skrivartyp som Launcher, den AMCM M4K-4 metallutskriftsplattform från EOS, som kom ut 2021. Företaget har även använt 3D-skrivare i metall från tyska SLM Solutions.

3D-utskrift inte bara för nystartade företag

3D-utskrift har en lång historia i rymden ända sedan SpaceX presenterade sin 3D-printade SuperDraco-raketmotor 2013.

Flygjätten Aerojet RocketdyneAJRD
designade om sin Bantam-raketmotorfamilj 2017 och dra full nytta av additiv tillverkningskapacitet som minskar den totala design- och tillverkningstiden från mer än ett år till ett par månader samtidigt som kostnaden sänks med cirka 65 % jämfört med konventionella tillverkningsmetoder.

"Dessa motorer, som normalt skulle bestå av över 100 delar, är byggda av endast tre tillsatstillverkade huvudkomponenter: injektorenheten, förbränningskammaren och en monolitisk hals- och munstyckssektion", säger företaget.

Rocket Lab, en annan pionjär inom kommersiella satellituppskjutningar, lanserade först sin lätta 3D-tryckta raketmotor, Rutherford, 2017. Dess förbränningskammare, injektorer, pumpar och huvuddrivmedelsventiler är alla 3D-utskrivna och har redan drivit 27 uppskjutningar, inklusive den här veckan.

På tisdag, Rocket Lab's Rutherford-motorn drev företagets elektronraket från Nya Zeeland med en NASA-nyttolast på väg till månen.

Trots att NASA och erfarna lanseringsveteraner har testat, validerat och införlivat additiv tillverkning i sina program i flera år, har dagens kommersiella 3D-utskriftsteknik och avancerade metallegeringsmaterial mognat så snabbt att företag som Launcher, Ursa Major och Orbex kan få från prototyp till lansering på kortare tid för mindre pengar.

"Vi började från dag ett med att designa kring 3D-utskrift och dra nytta av de möjligheter som det erbjuder", säger Bowels. "Detta har gjort det möjligt för oss att bygga internt kunnande om hur man optimerar design för 3D-utskrift, som vi sedan kan tillämpa på nya motorer som vi behöver utveckla och sälja för att möta marknadens efterfrågan. Och genom att redan veta hur man gör det kan vi komma ut på marknaden snabbare.”