3D-печать перевернёт ракетостроение? [Veritasium]

Вот сайт с шаурмой likes. Это самый большой 3D принтер для печати металлом. Его сконструировал Relate Vitte Space — стартап, который поставил себе целью напечатать целую ракету, включая топливные баки и двигатели, за 60 дней.

Вот та самая напечатанная ракета, которая полетит в космос. Такой гигантский кусок металла! Невероятно! Здесь многое ультрафиолета от сварки снимать можно, но смотреть только через защиту, нужно быстро загореть. Наряжаемся, будто собрались вулкан спуститься.

Сейчас мы зайдём внутрь и посмотрим, как 3D принтер, собственно, работает. Держите повыше, вот так. Смотреть только через шлем. Вот так все происходит! Я вижу, как он печатает. Вот здесь можно подойти поближе, тут происходит плавка металла. Головка принтера подвижно, видно, как формируется плазменный заряд.

На самом деле это не заметно, но каждую пару миллисекунд форма электрического сигнала меняется, и поэтому четко контролируется, сколько наносить металла, а какая температура чуть выше точки плавления алюминия на пару сотен градусов. Где-то температура плавления алюминия 660 градусов по Цельсию. По сути, весь корпус ракеты потихоньку наплавляется слой за слоем.

А вот так выглядит материал, из которого мы печатаем ракету. Это наши назовем их чернила, похоже на паутину. Это алюминиевый сплав, а тот бабе нас проволокой. Скорость печати около десяти дюймов в секунду, так что такая катушка уходит довольно быстро. При печати все сплавляется вместе с помощью электрической дуги и лазеров. Откуда поступает проволока? Вот отсюда. Дуговой разряд получается на самом кончике проволоки.

— Это я, камера.

— Да, но зачем вообще печатать ракету на 3D принтере? Просто потому что можем.

Что любопытно, вы, занимаясь 3D печатью, уверены, что за ней будущее? А для многих, кто пользовался 3D принтерами, включая меня, это просто какой-то кошмар! Ощущение, что это из тех технологий, которые интересны как идея, но когда пробуешь, результат вообще не нравится.

— Понимаю о чем вы, нам это прекрасно знакомо. Первые пару лет мы получали только бесполезную груду металла. На самом деле такая технология может быть полезна. Ракета по сути состоит из четырёх систем: полезная нагрузка, управление, структура и система реактивного движения, которая занимает основную часть ракет.

Туда относят двигатели и топливные баки, криогенное топливо и окислитель, с помощью насосов проходят через инжектор и попадают в камеру сгорания, где происходит реакция, в ходе которой выделяется много тепла. Продукты сгорания расширяются и вылетают из реактивного сопла на высокой скорости. Чем больше массы получится выбросить и чем выше скорость, тем больше сила тяги.

Построить ракету невероятно сложная инженерная задача, и до сих пор её по преимуществу решали традиционным методами. Прежде чем взяться за производство ракет, нужно изготовить подходящее для этого оборудование. Например, для строительства новой сверх тяжелой ракеты-носителя SLS NASA сначала пришлось построить центр вертикальной сборки.

Эта конструкция высотой 50 метров позволяет сваривать вместе крышки, кольца и секции топливных баков ракеты. Это аэрокосмическая индустрия: сперва нужно разработать все необходимые инструменты, перепроверить их, и лишь потом можно начинать производство ракет. И в итоге первый экземпляр собрали спустя одиннадцать лет после начала разработки.

Компания Relate Vitte Space другой страны появилась лишь пять лет назад, а запуск планирует уже в этом году. Получается старая инженерная школа против стиля Кремниевой долины: собрали, посмотрели, что не так, тут же сделали следующий вариант. Я работаю таким образом только софтом, ребята строят ракеты.

— Вот это топливный резервуар непосредственно той ракеты, которую мы хотим запустить в конце года, той самой, которую запустим. Эта штука полетит в космос.

— Да, план такой. И на данный момент это самая большая конструкция, созданная на 3D принтере, которая поднимется в воздух. А может и вообще самая большая.

Видно, что на принтере печатали слои, заметны, да, их видно из-за этой шероховатости. Добавляется 5-10 процентов массы, но в разрезе или если взять обработанную деталь, то выглядит все как обычный металл.

Кстати, вот тут посмотрите, это тоже напечатанная, просто мы потом обработали. Ничем не отличается от обычного металла — всё гладко. А шероховатость поверхности как-то влияет на аэродинамику?

— Нет, вообще никак. Показатели у нас те же самые. Мы всегда прогоняем симуляцию процесса печати прежде, чем начинать. Если просто взять 3D файл, загрузите и начать печать, обязательно что-нибудь перекосит, материал ляжет неравномерно и получится брак.

Поэтому мы разработали программу, которая просчитывает все возможные деформации и компенсирует их процессе печати. Кажется, что деталь получается кривой, но на самом деле всё просчитано, все размеры выверены с точностью до толщины человеческого волоса по всей длине корпуса.

То есть в процессе остывания деформация исчезает. Да, и мы все это выбираем заранее, там довольно сложный рассчитывающий алгоритм. Это далеко не единственная проблема, с которой приходится сталкиваться в процессе, но мы научились их решать одну за другой.

На это и ушли последние два года, и как видите, у нас получилось! Ракета почти готова. Тут можно подняться поближе, не стесняйтесь!

— Привет! Вот та самая напечатанная ракета, которая полетит в космос! Именно такой гигантский кусок металла!

— Невероятно! Да, что за кольца изнутри? Это ребра жесткости, чтобы ракета не прогибалась и не смеялась.

Представьте баночку колы: пока вы её не открыли, на неё можно даже встать, банка выдержит благодаря давлению изнутри, и она не мнется. Но стоит её открыть — газ выходит, и всё. Снятие можно, без проблем.

С ракетами то же самое: внутри давления около трёх с половиной атмосфер — чуть больше, чем в шинах. Давление, конечно, помогает сохранить форму, но ребра жесткости тоже нужны. Кстати, интересный факт: толщина стенок ракетного бака по отношению к диаметру меньше, чем у банки с газировкой.

Если считать пропорционально, топливный бак получается тоньше, чем банка, поэтому он довольно легкий. А иначе никак логично. 3D печать в аэрокосмической индустрии нашла применение около десяти лет назад. С её помощью делали небольшие, но сложные элементы. Например, инжектор — это самая важная часть ракетного двигателя.

Она нужна, чтобы хорошо смешать и подать в камеру сгорания в раскаленном виде два компонента топлива. Инжекторы на самом деле уже давно печатают на 3D принтерах. Типичный инжектор вроде форсунки в цилиндре автомобиля: он, собственно, смешивает жидкий кислород и метан, а топливо, которое сгорая, обеспечивает реактивную тягу.

Такой инжектор — это более тысячи отдельных деталей. Изготовление занимает около девяти месяцев. Мы печатаем все одной деталью за две недели, и стоит это в десять раз меньше. Сокращение количества деталей — одно из главных преимуществ 3D печати.

Вы когда-нибудь задумывались, насколько горячо внутри камеры сгорания ракетного двигателя? Температура может достигать трёх с половиной тысяч кельвинов. Это выше точки плавления практически любого металла! Как тогда не плавится камера сгорания и сопла двигателя?

Секрет в том, что их остужают, пропуская криогенное топливо по трубкам по периметру. Я много чего могу рассказать про двигатели шаттла. Внутри температура такая, что испарилась бы железа, при этом поверхность снаружи покрыта домом из-за того, что всё остужается жидким водородом, которые пускают по трубкам.

Представьте, тысячи небольших трубочек: каждую нужно изогнуть определенным образом по форме камеры сгорания и сопла, а затем приварить по внешней стенке. Это невероятно долго и муторно. И 1080 трубочек, и каждую надо приваривать отдельно вокруг камеры сгорания и сопла каждого двигателя. Но теперь всё это можно сразу напечатать на принтере.

Вот так выглядит печать сопла для ракетного двигателя. Тут видно, что трубочки, по которым затем пусть от криогенного охладителя, проходят через стенку детали, так что их уже не придется приваривать. Подобные небольшие детали обычно печатают с помощью металлического порошка и лазеров — получается единая деталь сразу с трубками для охлаждения.

Это будет сопло: порошок наносится тонкими слоями в 20 раз тоньше человеческого волоса. Это очень тонкий слой. И так один за другим, снова и снова, без остановки. И где-то через неделю у нас готово сопло для ракетного двигателя единой деталью.

Граждане дешевле привычных методов. Тут одновременно работают 4 лазера, очень круто! Многие думают, что напечатанные детали не очень прочные и удивляются, что из них можно построить ракету, но на самом деле у нас детали даже крепче, чем обычные. Звучит странно, понимаю.

Немного мы сами разрабатываем состав металла. У нас есть целая команда, которая отвечает за сплавы, специально для 3D печати. А еще материал становится очень прочным за счет того, что металл быстро нагревается, плавится и потом остывает.

Нам помогают его физические свойства. А еще 3D печать позволяет довольно быстро усовершенствовать любую конструкцию: её можно распечатать, испытать, её тут же доработать. Этому двигателю всего три года: если посмотреть на то, что мы производим сегодня, они абсолютно не похожи друг на друга.

Мы совершенствуем каждый следующий экземпляр, который выпускаем. Это своего рода производство на программном управлении, так я бы назвал. Нам не нужно какое-то особое оборудование: вся геометрия детали разрабатывается в CAD файл, передается на принтеры.

По большому счету, всё это позволяет очень быстро вносить изменения в конструкцию. На производство одного двигателя уходит всего месяц. Это значит, что через месяц можно выпустить улучшенную версию, а через месяц — ещё одно.

Вот этот экземпляр, если не ошибаюсь, одним из первых полетит непосредственно на орбиту вместе с первой ракетой. А эти трубочки, их вы не печатайте? Пока нет, но мы придумаем, как сделать их частью распечатанных деталей, так что и их будем делать на принтере.

Возможно, больше всего 3D печать в итоге повлияет на то, как ракета будет вылетать. Технология позволяет создавать формы, которые было бы сложной, даже невозможно изготовить старыми методами. Распечатайте обтекаемые, волнистые, похожие на что-то из живой природы детали.

Не сложнее, чем что-то более привычное. Это часть нашей следующей ракеты Тиран Р. Она уже побольше. Это дно топливного бака. Да, это она! Деталь почти закончена, высота будет примерно вот такой, диаметр около пяти метров.

Похоже на раковину. Как раз хотел об этом сказать, напоминает что-то из «Русалочки» или вроде того. Есть такая форма, добавляет жёсткости. Не то чтобы мы специально используем природные формы, просто оказалось, что они лучше всего нам подходят.

Понимаю. Да, в наших ракетах много элементов, которые традиционным образом произвести в принципе невозможно, только напечатать. Собственно, поэтому пришлось создавать компанию с нуля. Наши ракеты слишком отличаются от тех, которыми занимаются остальные.

Примерно такая же ситуация сложилась с автомобилями. При переходе с двигателей внутреннего сгорания на электрические люди начали переводить машину на электричество. Десятилетия назад все понимали, что за этой технологией будущее, но Nissan и Ford, например, долго не могли выпустить ничего привлекательного.

А потом одна компания, может вы даже не слышали, Tesla, поняла, что при переходе на электричество менять придется всё: батареи, моторы, само производство, весь процесс, как работает компания, как происходит масштабирование, вся логистика — всё нужно продумывать по новой.

Один из секретов, почему производство электромобилей довольно легко автоматизировать, в том, что там просто меньше деталей. Если печатать ракеты на 3D принтере, количество элементов можно снизить в сто раз.

К этому мы идём: у нас нет стационарного оборудования на производстве, в отличие от остальной аэрокосмической индустрии, которая уже лет шестьдесят со времён «Аполлона» собирает ракеты вручную, деталь за деталью, а их там сотни тысяч и даже миллионы.

И за всё время процесс практически никак не изменился, заводы устроены точно так же. Вот так будет выглядеть полностью распечатанная ракета. Стабилизаторы наподобие крыльев стрекозы решили делать так поменьше.

Эта, которую сейчас собираем, а большая — это то, что будет. Она намного больше. Ракетами называются Terrano 1 и Тиран Р. 3D принтер Star Gate — звездные врата.

У нас тут всё названо в честь Starcraft: Звёздные врата, например, варп-корабли у протоссов. Ну и мы решили, что у нас будут такие же. Один из элементов бортового оборудования называется пилон. Их нужно довольно много, поэтому тут часто можно услышать: нужно больше пилонов.

Большинство людей, в принципе, не знает, как выглядит производство ракет. Мне кажется, многие думают: это же ракеты, тут все высокотехнологичные роботы повсюду. У Маска есть заводы Tesla, наверное, в SpaceX всё выглядит точно так же: всё автоматическое, всё делают роботы и так далее.

А на самом деле это не так. В аэрокосмической индустрии автоматизации по сути то и нет. Мне кажется, одна из проблем в том, что ракеты не серийный продукт и нет особенной мотивации думать, как так выстроить производство, чтобы можно было штамповать по 100 штук в день, как, например, машины.

Именно так! Ракет нужно гораздо меньше, с коммерческими самолетами и та же история: их просто столько не нужно. Уровень сложности в них на несколько порядков выше. Один самолет состоит из нескольких миллионов отдельных деталей. Автоматизировать такое производство — это не то же самое, что с машинами, в которых деталей десятки тысяч.

Это намного сложнее. В каком-то смысле 3D печать способ автоматизировать аэрокосмическую индустрию! Для сборки не нужны роботы, потому что сборка происходит на этапе разработки и 3D модели на компьютере, а принтер печатает всё в собранном виде.

— Какие планы у вашей компании? Выйти на околоземную орбиту или вы целитесь еще дальше? Тиран один отправится на околоземную. Это наша первая ракета.

— ATI Runner сможет доставлять грузы на Луну и даже Марс. Габаритов и мощности ему хватит. Я основал компанию, потому что считаю, что для успеха с Марсом нужна работа тысяч компаний. Наша задача разработать 3D технологию, создать, что называется, фабрику будущего, упростить процесс и когда-нибудь отправить на Марс, где мы сможем запустить полноценное производство.

Так что в долгосрочных целях компании создание завода на Марсе. По сути, эта фабрика лишь прототип. Мы уже гораздо меньше по размерам и гораздо легче остальных. Мне кажется, появление компании вроде нашей было неизбежно.

Я не уверен, что через десять-двадцать лет мы пересядем на распечатанные ракеты. Ведь чем больше полетов, тем дешевле производство подойдут и старые технологии, но я уверен, что у собой компании прекрасное будущее. Даже если Тиран не сможет выйти на рынок, даже если никто не захочет на нём летать, ребята уже стали мировыми экспертами по 3D печати в ракетной индустрии.

Они разобрались, что и как делать, применяют технологию там, где другие считали это нецелесообразным. Так что как компания они точно не пропадут. Станут ли ракеты, созданные с помощью 3D печати, привычным делом?

Интересный вопрос! В последнее время все говорят о космическом туризме для миллиардеров.

— Можно ли с помощью 3D печати так удешевить его, чтобы мне хватило денег на это?

— Да, думаю да! Стоимость полета будет ниже. Наши ракеты уже получаются в 5 раз дешевле и, думаю, могут стать в 10 или даже 100 раз дешевле, чем сегодня, при полностью многоразовом использовании. Так что да, цена однозначно снизится.

Но я больше думаю про полет на Марс и о тех, кто полетит туда первыми. Для меня это вопрос о том, что значит быть человеком! Зачем лететь на Марс?

Представьте себе, что пока мы тут сидим, где-то на другой планете живёт миллион человек! Только подумайте, как мог бы расшириться горизонт человеческого опыта! Как разнообразно стала бы жизнь! YouTube канала жизни на Марсе: люди рассказывают, каково им там, сравнивают жизнью на Земле.

Представьте историю Амели только в космосе! Столько романтики! Мне кажется, нечто подобное неплохо обогатило бы наше общество и культуру.

— Да, я согласен, что есть причины критиковать полеты в космос для миллиардеров. Я не считаю, что каждый существующий проект в итоге приведёт к чему-то действительно важному и стоящему, но для меня полет на Марс — это... Мы прожили на Земле столько поколений, что дальше? Почему мы постоянно стремимся сделать свою жизнь лучше, двигать общество вперед?

Для меня это что-то экзистенциальная часть человеческой сущности.