创新之路：这款3D打印火箭了解一下

在大家满心欢喜准备拥抱崭新的2020年时，所有航天人也迎来了历史性的时刻：12月27日20时45分，在海南文昌航天发射场，我国最大运载能力的火箭——长征五号，托举东方红五号卫星公用平台首飞试验星——实践二十号飞向太空，卫星随后进入预定轨道，发射飞行试验圆满成功。

逐渐火热的太空竞赛也预示着要通过仿真技术提高置信度，无论是新宇航时代还是旧宇航时代，产品都必须确保首次成功，同时还要满足极端的工作环境要求。航天领域利用各种尖端前沿技术解决安全和成本等挑战，而材料是应对所有这些挑战的关键，在掌握材料的基础上做出明智决策是决定项目成败的关键。

但当前的增材制造工艺极为耗时而且成本高昂，金属粉末和3D打印材料的高价极大地限制了打印中的试错机会。得益于全新的金属增材制造解决方案，ANSYS正在推动航空航天与国防、生物技术和汽车等行业中金属部件制造方式的重大变革。ANSYS全面的增材仿真工作流程能够减少相关难题，优化流程，并且在打印之前帮助客户快速虚拟地测试产品设计方案，帮助用户第一次即可成功打印轻量型复杂金属部件，同时分析微观结构的属性和行为，显著降低增材制造的成本，减少浪费并且缩短打印时间。

而2015年创立的Relativity Space公司一直有一个梦想：将利用增材制造技术（3D打印）的火箭发射到太空。这家位于加州怀揣着雄心壮志的初创公司，志在变革全球航空航天行业，希望以更快速度、更低成本和更便捷的方式制造火箭。

Relativity Space志在成为首个发射完全利用3D打印（增材制造技术）制造火箭的企业。其Aeon火箭发动机仅包含100个部件，三次打印操作即可完成。

Tim Ellis和Jordan Noone在就读南加州大学时，对火箭的共同爱好促使俩人成为志同道合的朋友，毕业后，Noone加入SpaceX，而Ellis则进入Blue Origin工作。在2015年重逢遂决定成立一家名为Relativity Space的初创公司。新公司立足于一个全新的理念：通过新兴的3D打印技术，又称为增材制造 (AM)，制造火箭。虽然已经有公司在打印飞行器组件，但是Ellis与Noone希望率先利用该项技术制造整个火箭。

这两位创始人认识到增材制造具有众多优势：火箭结构得以简化，采用AM制造包含100个部件的火箭与此前包含10,000个单独部件的火箭相比，前者的结构稳定性要高得多，而且更加牢固；AM技术可以显著优化装配体，而且简化端到端供应链和促进其无缝集成；此外，AM还可以消除对创新几何结构的限制，同时实现更多设计选项。

公司首席技术官Noone表示：“当我们宣告希望以3D打印造火箭时，很多人认为我们太疯狂了，但是有经验的圈内人看到了这个想法的无限潜力，”包括亿万富翁投资人Mark Cuban，当时他投入50万美元帮助Relativity起步，另外Relativity还入选了著名的Y Combinator计划，该计划旨在为初创公司提供资金和战略咨询。除了资金，还剩下一个重要问题：Ellis和Noone找不到一台足够大3D打印机，用来造火箭...

直径9英尺，高15英尺，这台名为Stargate的全球最大的3D打印机设备伫立在Relativity Space公司位于加州洛杉矶的总部。

Stargate打印机的复杂工程过程有一部分是采用仿真技术进行管理。Noone和Ellis在之前的工作中都使用过ANSYS软件，因此他们在成立Relativity Space后一周内就联系了ANSYS。Noone表示：“ANSYS软件在全球航空航天行业中已赢得极好的口碑，以超高精度和易用性著称，它是值得信赖的技术，我们知道必须借助ANSYS技术来实现我们的梦想。”

Relativity公司的Stargate是全球最大的3D打印机

Relativity通过ANSYS初创公司计划迅速获得软件授权。Noone指出：“在前期就与ANSYS合作对于加快Stargate设计周期至关重要，例如，我们仿真了打印机内部的计算流体动力学，以便优化实际打印过程中的材料流动。”

虽然设计和制造打印机需要时间和资金，但是与购买固定加工设备和建造制造工厂所需的数千万美元相比，这个投资要低得多。采用3D打印机还可以最大限度提高工程团队的灵活性，因为它可以实现产品设计迭代。Noone指出：“重组传统制造设施可能需要花费数月时间和数百万美元。但是我们能够在18天内就完成新发动机设计，而且在30天内完成全新飞行器的迭代工作，这让我们能够实现航空航天行业中无可匹敌的灵活性和响应度。”

此外，Relativity工程师还依靠ANSYS仿真技术来设计Aeon，这是第一**全采用增材制造技术生产的火箭发动机。Aeon在发射时能够产生15,500磅的推力，它是由镍合金制造而成，由于仅包含三个部件，这款发动机分三次打印制造而成。

Relativity产品研发团队采用ANSYS Fluent软件对发动机的喷射单元、冷却孔和歧管进行了计算流体动力学 (CFD)仿真，通过优化这些区域的流动性能，工程师能够缩短整个设计周期，同时降低物理测试的高额成本。此外，还采用ANSYS Mechanical评估了发射等重要环节中Aeon发动机内部的结构应力，100多次试发射已经确认了ANSYS仿真技术能够有效优化Aeon的强度和结构稳定性。

作为利用3D打印技术制造超大型产品的制造商，Relativity Space自然而然地对ANSYS在2018年发布的ANSYS Additive Suite 十分感兴趣，该款软件能够优化从材料成分到机器设置的整个3D打印过程。

Noone表示：“ANSYS Additive Suite真是太棒了。在实际投入材料进行生产之前，我们可以仿真每次打印的结果，从而大幅减少风险。”采用金属材料制造巨大的部件形状存在非常高昂的试错成本，ANSYS Additive Suite 中的新功能使Relativity工程团队能够预测并解决变形区域，确保几何结构精度，消除材料浪费和避免潜在机器损坏等。

Relativity公司的Aeon发动机及其命名为Terran的运载火箭，其最初应用将会是商用卫星市场。该公司在这个行业占据独特的市场，即为1,250公斤（大约一辆小型汽车的大小）范围内的卫星提供按发射付费服务。

由于能够通过增材制造技术每60天制造一个新的运载火箭，而相比之下采用传统制造方法则需要一年的研发时间，因此Relativity希望能够占领这个快速增长的市场，Relativity已经与客户签订了计划在2020年进行首次发射的合同，不过显然雄心壮志的Relativity Space不止于此，他们的长期愿景要宏伟得多：希望成为首个能够在火星上制造和发射3D打印火箭的公司。

Noone表示：“我们预测人类**外星球将会逐步兴旺。不过，最初火星上的资源会非常匮乏，而增材制造技术的灵活、相对轻量化特性可以提供一种快速低成本的方式，比如制造人类生存所需的物品以及返回地球所需的火箭。例如，Aeon发动机是由氧气与甲烷这两种在火星上非常容易生产的推进剂驱动，我们承认这个想法听起来像天方夜谭，但是我们希望激励更多的初创公司加入进来，因为小公司也可以有大梦想。”