如何在火星上製造火箭?Relativity 認為 3D 列印是最佳解答

過去需耗費數年打造的火箭,未來可能在 60 天內就完成

Matt Yu
Matt Yu
Jan 16 · 12 min read
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火箭是人類邁向太空的關鍵,但過去製造火箭的方式十分耗時且費用高昂,導致太空任務的成本高居不下,也限制了人類探索太空的能力。直到最近 SpaceX 及 Blue Origin 開發出火箭回收再利用的技術,有效地減少每次太空任務的時間與金錢成本。而火箭新創 Relativity Space 更計畫以 3D 列印大幅降低火箭製造的時間,進而挑戰在火星上製造火箭的終極任務。

Relativity Space:要用 3D 列印製造整支火箭

成立於 2015 年的 Relativity Space,是由前 SpaceX 與 Blue Origin 的工程師 Tim Ellis 與 Jordan Noone 所共同創辦的火箭新創。他們與其他公司最大不同之處在於,Relativity Space 要用 3D 列印的技術來製造整支火箭,並打造出號稱世界最大的 3D 列印機 Stargate。像這樣大規模使用 3D 列印的技術,在太空產業中可說是前所未見。

Relativity Space 也因此吸引到不少投資人的目光,至今已募至 C 輪共 1.86 億美元。其投資人包含知名矽谷加速器 Ycombinator、網路女王 Mary Meeker 所成立的 Bond Capital,企業家 Mark Cuban 以及曾投資 Slack、AirBnb 的 Social Capital。

Relativity Space 不僅獲得大量的創投資金進行 3D 列印機與火箭的研究與開發,也已與 Telesat、Momentus Space 等數間公司簽署合約,預計在 2021 年起就能發射火箭並提供服務。他們也與美國太空總署(NASA)簽下長達 20 年的合約,能利用史坦尼斯太空中心(John C. Stennis Space Center) — — 美國最大的火箭引擎測試基地 ——測試他們所開發的火箭引擎 Aeon,也取得鄰近的閒置工廠進行火箭的製造與測試。此外,他們與 NASA 簽下的另份合約,也取得使用位於美國佛羅里達卡納維爾角的甘迺迪太空中心(Kennedy Space Center)第 19 號發射台發射火箭的資格。

CEO Tim Ellis(左)與 CTO Jordan Noone(右)(截自 Relativity 官網)

CEO Tim Ellis 曾是愛拍殭屍電影的文藝青年

或許你會想像,Relativity Space 火箭公司的創辦人就像電影《十月的天空》(October Sky)的主角們,從小就懷著火箭夢,希望有朝一日能製作並發射自己的火箭吧?

但事實上,Relativtity Space 共同創辦人 Tim Ellis 從小最熱愛其實是寫作跟電影,也跟朋友共同拍攝過低成本的殭屍電影。最初申請入學南加州大學(University of Southern California,USC)時,也立志要成為編劇。直到大二那年,他加入了 USC 的火箭推進實驗室(USC Rocket Propulsion Lab),與同學們共同設計並打造火箭後,才燃起了他對太空探索與製作火箭的熱愛,也因此認識了另一位共同創辦人暨 CTO Jordan Noone。

USC 火箭推進實驗室是由 Ian Whittinghill 在 2004 年創辦,是美國少數全由學生團隊設計並製造火箭的團隊,創立至今更不斷挑戰學生製火箭的新紀錄。他們所研發的 Traveler IV 火箭,據稱在 2019 年 4 月已飛行至 34 萬英呎的高度(約 103.6 公里),成為首支發射高度超越卡門線(Kármán line。位於離地 100 公里處,為世界公認的外太空與地球大氣層的分界線)的學生團隊。而過去十餘年間有許多 USC 火箭推進實驗室所培養出的人才,都在 SpaceX、Blue Origin 等太空企業裡發光發熱。

3D 列印機 Stargate 與 CTO Jordan Noone(截自 Relativity 官網)

3D 列印火箭:減少零件的數量,大幅加快火箭製造速度

其實 3D 列印在太空產業中並不是什麼新鮮事,SpaceX 跟 Blue Origin 的火箭都已有部分零件是由 3D 列印機所製造。而火箭新創 Rocket Lab 的 Rutherford 推進器,以及 SpaceX 的 SuperDraco 推進器,都用 3D 列印製造大部分的零件。但 Relativity Space 想要進一步打破 60 年來太空產業的傳統:他們要用 3D 列印製造整支火箭。

CEO Tim Ellis 表示,為了要讓 Relativity Space 的火箭能夠全用 3D 列印機製造,他們也重新思考並設計火箭,也因此 Relativity Space 現正研發中的火箭 Terran–1 與相同尺寸的傳統火箭相比,僅需百分之一的零件就能組成。例如其推進器 Aeon 只需要約 100 個零件,而一般使用燃料推進的火箭推進器,則需要上千個零件才能構成。他們的火箭除了電路板、電線、少部分的運轉零件與橡膠墊片之外,有 95% 都能以 3D 列印機製造。也因為大幅減少火箭製造所需的零件,Relativity Space 宣稱他們能將火箭製造的時間從將數年減少至 60 天以內。

Relativity Space 3D 列印機 Stargate 的運作影片

也因為 Relativity Space 要利用 3D 列印機製造大多數的火箭零件,他們打造了號稱世界最大的 3D 列印機 Stargate 來製造相關零件。這台 3D 列印機高約 9.1 公尺,並擁有兩支大型的機械手臂。屆時在 Relativity Space 的工廠中,會部署數台的 Stargate 投入 Terran–1 火箭的製作,而他們也宣稱這將是太空產業中首座自動化的工廠,藉由整合 AI 與軟體能力,持續優化 Relativity Space 製作火箭的流程。

順帶一提,Relativity Space 的各種產品的命名,都與知名網路遊戲星海爭霸(StarCraft)相關:火箭 Terran–1 的名稱來自於遊戲中代表人類的種族;而他們所開發的 3D 列印機 Stargate,則是遊戲中另個種族神族(Protoss)用來製造太空飛行器的建築物,也因此能在 Stargate 所放置的房間外牆上,找到神族的代表標誌。

Stargate 的房間外牆可看到《星海爭霸》代表神族的標誌(截自 Relativity 官網)

如果 3D 列印那麼好,為什麼不是人人都在用?

但如果 3D 列印真如 Relativity Space 所稱能大幅降低火箭的製造時間與複雜程度,那麼為什麼多數公司的火箭仍採用傳統的製造方式,只在部分零件應用 3D 列印?這主要有兩個原因:3D 列印的技術目前只能造出整支中小型的火箭、雖然號稱能大幅減少製造時間,但也可能需要比傳統火箭更多資金投入研發與製作。

Relativity Space 目前以 3D 列印所研發並製造的火箭 Terran–1,高約 30.5 公尺,能將最多 1,250 公斤的酬載(Payload)發射至離地 2,000 公里以內的近地軌道(low Earth orbit)。

相比之下,SpaceX 的火箭 Falcon 9 其高度可達 70 公尺,且在火箭能回收的前提下,就可將超過 16.8 公噸的酬載射至近地軌道,甚至能將超過 5,800 公斤的酬載發射至更遠的地球同步轉移軌道(geostationary transfer orbit,GTO),明顯超出 Relativity Space 現有的發射能力許多。而進階的 Falcon Heavy 甚至能比 Falcon 9 多乘載近四倍重的酬載至近地軌道,並將 16.8 公噸的酬載送至火星。

編按:地球同步轉移軌道的遠地點約距地 37,000 公里。所有要部署到地球靜止軌道(Geostationary orbit)或地球同步軌道(Geosynchronous orbit)的衛星,都要先送至地球同步轉移軌道,再進而推進至最終部署的軌道上。一般而言,通訊用的衛星與氣象用的同步衛星,會被部署在這邊。而台灣的福衛七號衛星雖為氣象衛星,但並非同步衛星,只部署在離地約 600–800 公里的太陽同步軌道(Sun-synchronous orbit)。

確實,近年來的太空產業發展,有部分集中在近地軌道中小型衛星的部署,其中最廣為人知的衛星網路產業,包含 SpaceX、亞馬遜甚至蘋果,都計畫在接下來的幾年內,部署上萬枚提供網路服務的衛星,到近地軌道和極近地軌道上(very-low Earth orbit,VLEO,約離地 400 公里。)如果 Relativity Space 無法突破 3D 列印在製造尺寸上的限制,那麼其能在地球所承接的任務範圍就會相對受限。

SpaceX 的 Falcon Heavy(圖片來源:Unsplash

另外,在 3D 列印製作火箭是否符合經濟效益的議題上,也有不少太空產業的同行對 Relativity Space 的做法持保留態度。前面曾介紹到,也用 3D 列印來製作火箭推進器的 Rocket Lab,他們的 CEO Peter Beck 在接受《MIT 科技評論》訪問時提到:「雖然若沒有 3D 列印的科技,我們絕無法製造出這般數量及水準的火箭推進器。但用 3D 列印製造火箭的其他部位就一點意義都沒有。因為早已有更有效率的製作方式⋯⋯我並不是要潑他們的冷水,我真心希望他們能成功,但從工程學的角度來看,這對我們一點意義也沒有。」¹

另一間應用 3D 列印的火箭新創 Launcher Space 的 CEO Max Haot 在接受《Wired》訪問時也提到:「這產業的大家都想盡快將 3D 列印應用在產品中,但問題在於用 3D 列印製造出的火箭,是否真的比傳統的製造方式更好?我們並不那麼認為,但我們可以看看他們能做到什麼地步。」²

Relativity Space 的推進器 Aeon(截自 Relativity 官網)

Relativity Space 要胸懷火星,放眼宇宙

Relativity Space 或許不是地球上最強的火箭製造公司,但是 CEO Tim Ellis 有著跟 Elon Musk 相同的遠見:要在火星上建造人類城市。而 Ellis 認為 Relativity Space 的技術,能補齊 Musk 火星計畫中遺失的那塊關鍵拼圖:就是能夠「在火星上製造、發射火箭」。

Ellis 表示:「Relativity Space 要打造兩種產品:一個是 3D 列印的火箭本身,另一個則是用 3D 列印製造火箭的工廠。隨著技術不斷進展,工廠的體積會縮小再縮小,直到某天這工廠縮小到大型火箭能夠承載時,你只需要一台製造機器的機器,然後把它送上火星,一切就很簡單了。」³

衛星與太空領域知名的市調/顧問公司 Northern Sky Research 的資深分析師 Shagun Sachdeva 也認為:「就算 Relativity Space 最終無法在火星上用 3D 列印造出整支火箭,他們仍有能力在太空中製造所需的零件。這對這整個產業而言仍是很大的進展。」⁴

Relativity Space 的投資人,Tribe Capital 的合夥人 Arjun Sethi 則將Relativity Space 與 AWS(Amazon Web Serivces)做類比,認為他們能為中小型太空公司提供關鍵的基礎建設。因為相較於 SpaceX 的 Falcon 9 每次執行任務的牌價為 6,200 萬美元(約新台幣 18.6 億元),Relativity Space 的 Terran-1 執行一次任務的牌價為 1,000 萬美元(約新台幣 3 億元),對僅需部署少量或較低空的中小型太空公司而言,可以節省不少成本。

2020 年,迎接更加繁忙的太空

2020 年,將是國際太空產業極為熱鬧的一年:包含 NASA 的 2020 火星探測車在內,將會有四項火星相關的任務;SpaceX 跟波音(Boeing)也搶著在今年成為首間完成載人任務的私人企業;SpaceX 在今年一月也成功在低空軌道部署數百顆衛星,讓衛星網路服務 Starlink 的基礎建設日漸完整。

我們台灣也沒有在這次的太空浪潮中缺席:2019 年,在氣象衛星福爾摩沙衛星七號乘著 SpaceX 的 Falcon Heavy 成功部署後,行政院也宣佈了為期十年的「第三期國家太空長程發展計畫」,計畫以國家的力量打造台灣的太空產業鏈;在民間,則有國立交通大學前瞻火箭研究中心 ARRC 以及日前在台東設立火箭發射站的晉陞科技等,都投入自製火箭等太空產業的開發。

在接下來的幾十年,可以預見人類將展開更多具野心的太空計畫。而 Relativity Space 這樣的新創,也會為這沈睡已久的產業帶來更多創新。


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Star Rocket 三創育成是非營利的創新育成機構, 以「人」為核心,「科技」為養分,致力成為最開放的創新育成空間,透過自辦課程跟活動策展,活絡台灣創新與技術社群,並培育創新創業人才;同時,藉由內容產製跟資料庫的建立,追蹤、記錄創新故事,啟發人們踏入創新航道。

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