Le monde a-t-il besoin d'une fusée imprimée en 3D ?

Une image d'une pièce de fusée imprimée en 3D Damon Casarez

Les sols blancs autrefois immaculés présentés dans Espace de relativité Les photos de relations publiques sont maintenant éraflées et recouvertes des résidus d'un atelier d'usinage typique. À l'intérieur de son entrepôt à la périphérie de Los Angeles, trois bras de robot sont suspendus de manière imposante à côté d'un conteneur rempli d'une bobine de fil métallique. Le couvercle du récipient a un trou déchiqueté comme si quelqu'un l'avait percé un mauvais jour; du ruban adhésif a été appliqué pour couvrir les arêtes vives. C'est une machine poussée à ses limites, au service d'un objectif noble. Dirigée par ses fondateurs, Tim Ellis et Jordan Noone, Relativity tente de créer 95% de sa fusée, Terran 1, en utilisant l'impression 3D, en seulement 60 jours.

Vous avez bien lu : le plan est de passer de la matière première à une fusée prête à être lancée en deux mois. Si cela semble audacieux, c'est parce que ça l'est. Extrêmement. L'impression 3D connaît un moment dans l'industrie des vols spatiaux - tout le monde, de SpaceX à Blue Origin, en passant par des startups moins connues et des magasins de fusées à l'ancienne, bricole avec la technologie, et certains sont allés jusqu'à imprimer leurs propres moteurs à partir de zéro. Mais même les ingénieurs à la pointe de la fusée imprimée en 3D ne savent pas quoi penser de la société parvenue d'Ellis et Noone. Et plus d'un pensent qu'ils sont juste fous.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2019

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Traditionnellement, l'industrie aérospatiale n'a pas été rapide à changer, et pour cause : les fusées sont des explosions contrôlées qui mettent en jeu d'énormes sommes d'argent et, parfois, des vies humaines. La relativité vise à convaincre les sceptiques et les résistants avec un lancement test en 2020. Le fait est qu'ils n'ont même pas encore imprimé une fusée entière.

À la base, les fusées se composent de quatre systèmes principaux : les charges utiles, le guidage, la propulsion et les structures. La charge utile est ce que la fusée transporte. Le guidage consiste en des capteurs qui maintiennent l'engin sur la cible, et la propulsion est constituée du carburant et du moteur qui le font avancer. Les structures sont le reste du cadre, du cône et des ailettes de la fusée, des pièces généralement fabriquées à l'aide de fraiseuses CNC ultra-précises et de soudures à la main.

C'est une façon de dire que derrière chaque lancement réussi se cache une énorme quantité de travail et un vaste réseau de fournisseurs travaillant de concert pour assembler chaque véhicule. En rationalisant la chaîne d'approvisionnement, Relativity espère réduire considérablement le temps de production.

Mais cet objectif d'imprimer l'extérieur et le réservoir de carburant de plus de 30 mètres de haut de Terran 1 s'accompagne d'un défi supplémentaire : créer des imprimantes capables d'accomplir la tâche. Construire une entreprise de fusées est difficile, construire une entreprise d'impression 3D est difficile, et construire les deux ensemble en même temps est à la limite de la folie, déclare Ellis, PDG de Relativity. Mais s'il s'agit de la partie la plus difficile du travail, c'est aussi la sauce secrète qui fera de Relativity une entreprise qui changera le monde.

Si Terran I doit se rendre dans l'espace, son réservoir de carburant de 11 pieds de haut doit fonctionner comme un rêve. Damon Casarez

Cependant, il reste encore du chemin à parcourir avant de changer le monde. Nous n'allons pas faire voler une fusée à moins de développer ces technologies d'impression 3D en métal, admet Ellis. Cela donne donc un coup de pied existentiel dans les fesses pour le comprendre, car c'est la seule façon d'atteindre notre objectif.

Enfants de la porte des étoiles

L'imprimante solitaire de 20 pieds de haut de Relativity, Stargate, est au service de l'entreprise depuis qu'elle a quitté le mode furtif en 2017, mais elle est enfin sur le point de faire une pause. Dans un bâtiment voisin se trouvent quatre modèles mis à jour et tout juste prêts à l'emploi. Chacun est protégé par de longs volets noirs qui courent du plafond de l'entrepôt au sol et trahissent leur nouveauté avec une odeur de plastique piquante. L'un d'eux est suspendu à un petit panier de basket-ball, comme si, jusqu'à présent, il servait plus souvent de panneau arrière que d'imprimante à fusée.

Une image géante éclaboussé sur le mur dépeint une vision espérée de l'avenir de l'entreprise : un entrepôt rempli de rien d'autre que des portes des étoiles, des imprimantes plus petites et des bras de robot. Le paradis des ingénieurs et le cauchemar des machinistes. Ce sont les robots qui font les gros titres de nos emplois sous forme de fresques murales.

Les énormes machines semblent sourire après des décennies d'assemblage de fusées. Au cours du programme Apollo, les ingénieurs ont rencontré d'extrêmes difficultés pour réaliser des soudures parfaites sur la série de fusées Saturn. Même les soudeurs expérimentés devaient recevoir une formation spécialisée pour effectuer les passes de soudage longues et précises requises. Maintenant, un robot soude le tout.

Construire une entreprise de fusées est difficile, créer une entreprise d'impression 3D est difficile, et construire les deux ensemble en même temps est à la limite de la folie.

Stargate et sa progéniture utilisent une variante de ce qu'on appelle le dépôt d'énergie dirigé. Les méthodes de fabrication traditionnelles consistent à sculpter un produit fini à partir d'un bloc de matériau. L'impression 3D construit un objet couche par couche à la place, permettant la création d'objets légers avec des structures internes complexes qui sont impossibles à fabriquer autrement. La forme la plus répandue d'impression 3D est appelée modélisation par dépôt de fusion - un matériau, souvent du plastique, est fondu et expulsé d'une buse selon des motifs précis pour construire un objet. Combinez cela avec le soudage et vous avez un dépôt d'énergie dirigé.

Les bases du soudage impliquent de fournir un flux constant de fil métallique d'une main et de chauffer de l'autre. Stargate le fait automatiquement, en faisant sortir le fil d'une extrudeuse à l'extrémité d'un grand bras robotique. Le métal est chauffé à l'aide d'un plasma électrique (et parfois d'un laser) puis déposé selon les instructions d'un ordinateur. Une combinaison de commandes électroniques, de caméras thermiques et de capteurs montés près de l'endroit où le matériau est déposé adapte l'impression au fur et à mesure de sa création. Notre vision de l'impression 3D est l'automatisation définie par logiciel pour l'aérospatiale, déclare Ellis. Cela se rapproche de la vision à long terme des fusées d'impression 3D sur Mars. Ce sont exactement les outils dont nous aurons besoin pour construire des choses sur d'autres planètes.

La façon dont Ellis parle de son entreprise rappelle les exultations d'Elon Musk à propos de SpaceX et de Tesla, seul Ellis dit qu'il est en train de terminer une pièce du puzzle de Mars auquel Musk ne s'attaque pas encore. L'idée est d'avoir deux produits. L'un est le lanceur de fusée. L'autre est l'usine, dit-il. Au fil du temps, l'usine que nous voyons être capable de se réduire de plus en plus petite jusqu'à ce qu'elle devienne finalement quelque chose que nous pouvons simplement lancer sur une grosse fusée. Vous construisez la machine qui fabrique la machine. Et puis lancez-le sur Mars. Simple.

Relativity a fait un petit pas vers cette vision le mois dernier, annonçant qu'elle avait signé un bail de neuf ans avec la NASA sur une installation de 220 000 pieds carrés dans le Mississippi qui deviendra sa première usine de fusées autonomes.

Même les autres sociétés de fusées qui poursuivent activement l'impression 3D (c'est-à-dire la fabrication additive) ne sont pas entièrement convaincues que c'est ainsi que l'avenir se présente. Rocket Lab, l'un des rares petits lanceurs de satellites à effectuer des vols commerciaux, s'est appuyé sur la fabrication additive pour créer des moteurs, des soupapes, des collecteurs et un certain nombre d'autres composants complexes ; son PDG, Peter Beck, déclare : Il est impossible de produire le volume et les performances des moteurs que nous produisons actuellement sans la technologie d'impression 3D. Mais une fusée entière ? Aller imprimer une boîte ou un réservoir d'avionique ou quelque chose comme ça n'a aucun sens, car il existe des processus beaucoup plus efficaces pour le faire, dit Beck. Je ne veux pas pleuvoir sur le défilé de Tim. Je lui souhaite le meilleur, mais du point de vue de l'ingénierie, cela n'a absolument aucun sens pour nous.

En fin de compte, ce sont les clients qui auront besoin d'une preuve de la sagesse de la méthode Relativity. Comme la plupart des sociétés de fusées avant leur premier lancement, Relativity vend à ses clients des données de test et l'équipe qui a été constituée. En fin de compte, c'est une croyance et un acte de foi que nous allons exécuter, dit Ellis. Mais oui, c'est un assez gros. Et certainement, c'est un processus pour y arriver.

De toute évidence, certains clients sont prêts à franchir le pas. Relativity a déjà annoncé publiquement trois clients avec des lancements prévus pour 2021 et 2022 : la société de communications canadienne Telesat, Spaceflight, basée à Washington (qui aide à coordonner les partages de trajets par satellite lors de lancements plus importants), et le thaïlandais mu Space. Noone dit qu'une fois que Relativity montrera qu'il peut être lancé avec succès en 2020, il prévoit d'augmenter le nombre de vols qu'il lance chaque année de 12 à 24.

Ces types de délais agressifs sont intégrés à la tradition de l'entreprise. Il y a trois ans, peu de temps après qu'Ellis et Noone aient chacun quitté leur premier emploi à l'université chez Blue Origin et SpaceX, respectivement, ils ont proposé à l'investisseur Mark Cuban par e-mail de demander un financement de démarrage. Le message avait pour objet Space is sexy : impression 3D d'une fusée entière. Cuban, qui gère la majorité de ses affaires par e-mail, a répondu cinq minutes plus tard en disant qu'il voulait investir 500 000 dollars. Deux mois plus tard, il l'a fait. Selon Cuban, ce n'est pas seulement l'élément de fabrication additive qui a attiré son attention. L'idée était unique. J'aurais aimé y penser, dit-il. Ils étaient qualifiés et ils étaient locaux. (Ellis vient du Texas, où vit Cubain.)

Depuis l'infusion, la Relativité a mis le pied sur l'accélérateur. Au cours de la dernière année, il est passé de 14 personnes à plus de 80. L'équipe comprend désormais Tim Buzza, l'un des premiers employés de SpaceX et ancien vice-président du lancement pour SpaceX et Virgin Orbit, et David Giger, un employé de SpaceX depuis 12 ans qui a été directeur principal de l'ingénierie pour la capsule Dragon de la société.

Les humains sont toujours au courant des imprimantes Stargate de Relativity - pour le moment, en tout cas. Damon Casarez

Je ne veux pas pleuvoir sur le défilé de Tim. Je lui souhaite le meilleur, mais du point de vue de l'ingénierie, cela n'a absolument aucun sens pour nous.

Ellis, le leader de l'embauche et de la levée de capitaux, ne semble pas avoir de mal à convaincre les gens à tous les niveaux. Il a une place au sein du groupe consultatif des utilisateurs du Conseil national de l'espace de la Maison Blanche, et des contrats et de l'argent affluent dans l'entreprise. Relativity a clôturé un cycle de financement de série B de 35 millions de dollars, a conclu un accord avec la NASA pour tester ses moteurs au Stennis Space Center dans le Mississippi (la même installation où son usine autonome finira par aller) et a reçu l'autorisation de lancer dans l'un des plus sites de lancement compétitifs dans le monde : Cap Canaveral en Floride.

Ce dernier coup d'État, annoncé en janvier, prépare le Terran 1 à se lancer depuis le complexe de lancement sacré 16, qui accueillait autrefois les lancements de missiles Titan, le programme Apollo et le programme Gemini. Des mouvements très médiatisés comme celui-ci ont forcé le nom de Relativity à entrer dans des conversations sur des entreprises comme SpaceX, Blue Origin et United Launch Alliance, auparavant les trois seules tenues autorisées à décoller de Cap Canaveral.

Imprimer une fusée signifie faire des sections de test, les couper en morceaux et en tester d'autres. Avons-nous mentionné les tests? Damon Casarez

L'impression décolle

Relativity est loin d'être la seule à espérer que l'impression 3D la propulsera dans l'élite des vols spatiaux. Des startups telles que Virgin Orbit, Firefly et Electron rivalisent toutes pour prouver qu'elles ont, comme Rocket Lab, ce qu'il faut pour lancer de petits satellites dans l'espace. Même des entreprises établies comme Aerojet Rocketdyne tentent de prouver que l'impression 3D est comparable, voire plus fiable, aux techniques de fabrication traditionnelles.

Mais personne n'y va aussi fort et vite que la relativité. Aerojet construit des moteurs pour des contrats gouvernementaux et des fusées à capacité humaine comme le système de lancement spatial de la NASA, qui doivent être extrêmement cohérents et fiables. La société affirme que plus de 60 % de sa recherche et développement pour l'impression 3D n'ont consisté qu'à établir une base de données des propriétés chimiques et structurelles de différents matériaux. D'autres peuvent en quelque sorte ignorer cela, et c'est leur droit de le faire en tant que posture d'acceptation des risques, déclare Jeff Haynes, directeur principal des programmes avancés d'Aerojet.

En revanche, chez Relativity, si nous plaçons un moteur entièrement imprimé sur le banc d'essai, le démarrons avec succès, puis le faisons voler, c'est pour nous le succès, dit Noone. Vous pourriez écrire des centaines de pages de spécifications vous indiquant comment y arriver et comment le fabriquer, mais nous avons nos façons de le faire. Je ne voudrais pas être accroché à la création de la spécification plutôt que d'essayer quelque chose et de démontrer que cela fonctionne.

Cette mentalité rapide et cassante entraînerait de nombreuses nuits blanches pour la plupart des concepteurs de fusées. Virgin Orbit, un concurrent de Relativity, a des pièces fabriquées par additif sur sa première fusée LauncherOne, mais la société est heureuse d'aller doucement sur la technologie à la mode. Le moteur du véhicule LauncherOne utilise actuellement des méthodes de fabrication très fiables que la NASA a prouvées depuis les années 50 et 60, car [la priorité] numéro un pour les premiers véhicules de lancement est la fiabilité, déclare Kevin Zagorski, directeur de la fabrication avancée de Virgin Orbit.

Les autres entreprises qui donnent une chance à la fabrication additive couvrent toute la gamme de Blue Origin de Jeff Bezos - où Ellis a participé à l'achat de la première imprimante 3D métal de l'entreprise au cours de l'un de ses trois stages là-bas - à Launcher, une petite startup qui prétendait avoir fait le le plus grand moteur de fusée imprimé en 3D au monde. Des poids lourds comme SpaceX, la NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance et ArianeGroup sont également entrés dans le cercle de l'impression 3D.

Les raisons invoquées par la plupart de ces organisations pour utiliser cette technique sont doubles : vous pouvez construire quelque chose avec moins de pièces et modifier les conceptions plus rapidement. Au départ, Beck de Rocket Lab a vu la fabrication additive avoir une mauvaise réputation parce qu'elle n'était pas utilisée efficacement. Quelqu'un prendrait un composant fabriqué de manière soustractive [c'est-à-dire usiné] et tenterait de l'imprimer en 3D. Cela coûterait plus cher et prendrait plus de temps, dit-il. Mais comme toute nouvelle technologie, il s'agit de concevoir pour le processus. Là où les pièces imprimées en 3D excellent vraiment, c'est là où vous avez une très grande complexité et où vous fusionnez beaucoup de pièces en une seule.

Pour sa part, Relativity se vante que Terran 1 n'aura qu'un centième de pièces en moins qu'une fusée standard. Son moteur, Aeon 1, est composé de seulement trois pièces assemblées.

Il est cependant difficile de déterminer dans quelle mesure il s'agit d'un coup de pub. Annoncer que vous avez fait le premier est tentant, surtout pour les petites startups. Relativity, par exemple, prétend avoir construit la plus grande imprimante 3D métallique, tout comme Sciaky et Titomic, deux entreprises de matériel industriel qui ne sont pas dans le secteur spatial. Tout le monde cherche à essayer d'avoir un point de différenciation et à essayer de faire la une des journaux, dit Beck. Si quelqu'un veut parler de quelque chose d'impression 3D, alors très bien, mais c'est quelque peu amusant.

Même si l'impression 3D d'une fusée entière n'est pas pratique, je suis vraiment convaincu que dans tous les cas, cela entraînera des retombées utiles, déclare Dan Erwin, responsable de l'ingénierie astronautique à l'Université de Californie du Sud. Erwin dirigeait le laboratoire de fusées de l'USC quand Ellis et Noone y étudiaient, mais n'ont plus travaillé avec eux depuis. J'ai l'intuition que c'est l'une de ces choses du genre 'Si vous le construisez, ils viendront', dit-il. Indépendamment du fait que Relativity lance une fusée d'ici l'année prochaine, cela oblige une industrie lente à examiner de plus près, et peut-être à faire progresser, une technologie qui a des utilisations en dehors des vols spatiaux. Le résultat final pourrait n'être rien de plus qu'une nouvelle génération d'imprimantes. Ou ce pourrait être la fusée à destination de Mars qu'on nous a tous promise. La vie est trop courte pour simplement attendre que l'avenir se produise plus rapidement, dit Ellis. Nous devrions le créer.

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