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马斯克：SpaceX拥有世界上先进的金属3D打印技术，猛禽3火箭发动机大升级，推力280吨

时间:2024-08-07 21:17  来源:南极熊   作者:admin   点击:次

2024年8月5日，美国航空航天公司SpaceX近期对外公布了其火箭推进技术的最新突破：首台三代猛禽（Raptor 3，海平面版本）火箭发动机出厂，这一消息也预示着Raptor 3 发动机正式进入量产阶段。升级后的Raptor 3发动机的具体参数如下：
  • 推力：280吨
  • 比冲：350s
  • 发动机质量：1525kg
  • 发动机+整车侧配件及硬件质量：1720kg


金属3D技术助力猛禽发动机轻量化

光看Raptor 3 的图片可能没有什么感觉，但如果和前代的Raptor 2，或是第一代的Raptor 1 放在一起比较，就能明显看到Raptor 3 的结构更加简化，同时大量原本纠缠在外的管线都已经消失了（见下图）。Raptor 3能有如此惊人的变化，主要的原因有两个：首先，早期的火箭引擎在设计上远不成熟，许多的管线所需的管径、长度、连接点、材料等，都还要一一实验、测试，因此裸露在外有助于工程师进行调整或是更换。另一方面，则是由于早期的Raptor 其实在外部装有诸多的感应器在收集引擎内部的各种信息，因此也有部份的管线与此相关。

△Raptor系列1-3代发动机对比

在最新一代的Raptor 3 上，基本上所有的相关测试与数据收集都已经完成。因此，SpaceX利用金属3D 打印的技术，将大量的管线整合到引擎中，只留下这个一个干净利落的发动机外壳。当然，这不光只是生产简单、降低成本而已——减少裸露的管线数量，也意味着Raptor3 不再需要特殊的隔热罩，避开了隔热罩所带来的额外复杂性与灭火问题。


△Raptor3 零件壁上整合了大量管线，内部集成了二级流道和冷却结构

据SpaceX 提供的数据，单台Raptor3（海平面版本）具备280吨的推力与350s 的比冲，而引擎本身的重量仅1,525kg，如果再加上火箭上必要的零件，总重为1,720kg。相较之下，前代的Raptor 2 则为230吨的推力、347s 的比冲、1,630kg 的引擎重量与2,875kg 的总重。先进金属3D打印工艺的使用使得Raptor 3减重7%，推力相较于Raptor 2 高出了 21% ，更是比初代Raptor提高了51%。光是这种数字就已经可以看到明显的差距，特别是Starship 的Superheavy 下级火箭上配置了多达33 台的Raptor 引擎，每一台引擎都省下1.1 吨的话，这总重量可是非常可观的。

△Raptor 3发动机具有极致简约的外观

在最新发布的新闻帖子中，SpaceX首席执行官埃隆·马斯克也强调了猛禽发动机系列新版本的重大进步，强调其效率提高、推力增加、复杂性降低。此外，他还声称 Raptor3 的开发工作量 “惊人”。在Raptor 3此次的改进升级中，SpaceX 团队专注于三个关键领域：
  • 简化发动机设计；
  • 内化次级流道；
  • 增加外露部件的再生冷却；


这些改进带来了一项显著的成果：Raptor 3 发动机不再需要隔热板。取消隔热板带来了两个显著好处。首先，它降低了发动机的总重量，这是火箭设计中至关重要的因素，因为每一公斤都至关重要。其次，它消除了与隔热罩集成和维护相关的复杂性。此外，由于没有隔热罩，SpaceX可以取消灭火系统，进一步简化发动机的设计并减少潜在的故障点。

马斯克还指出，尽管进行了这些简化，但 Raptor 3 在几个关键指标上仍优于其前身 Raptor 2代。因此，新一代Raptor3具备了整体重量更轻、推力输出增加和效率更高三大优势。这些改进尤其值得注意，因为它们同时解决了火箭发动机性能的多个方面。通常，一个领域的改进可能会以牺牲另一个领域为代价，但 Raptor 3 似乎已全面取得了进步。在文章最后，马斯克称赞Raptor 3 发动机“真的是一件艺术品”，凸显了其开发过程中工程实力与创新设计的融合。


然而，马斯克认为Raptor 3 其实还有些微的改进空间，未来的最终版本可能会超过300吨的推力，并达到难以想像的200 推重比，而比冲的部份则还有大约5 秒的提升空间。但这已经接近已知物理的极限，因此现在的Raptor 3 应该不会再有太幅度的改动，只剩下量产了。

毫无疑问，Raptor 发动机系列的最新发展代表着 SpaceX 在提高其火箭系统性能和可靠性方面迈出了重要一步。随着公司不断突破太空技术的界限，Raptor 3 发动机等创新对于推进 SpaceX 雄心勃勃的太空探索和外星球移民目标发挥着至关重要的作用。

SpaceX热衷于使用3D打印制造航空航天零部件

作为在航空航天工业中增材制造技术的先驱，SpaceX一直在广泛利用该技术为其火箭和航天器制造零件，特别是那些使用传统方法难以或不可能制造的零件。虽然SpaceX对其3D打印应用的详细信息保密，但外界猜测SpaceX所采用的3D打印工艺大概率为激光粉末床熔融（LPBF）技术，且近年来不断涌现相关的应用案例，例如：
  • 龙飞船装载3D打印火箭发动机SuperDraco：2020年5月，SpaceX成功发射全球首次商业载人龙飞船（Dragon）。二代Dragon载人飞船装有8台SuperDraco发动机，这也是全球首款投入使用的3D打印飞船引擎。其中，SuperDraco发动机的多处关键零部件（火箭发动机室、主氧化剂阀阀体、冷却通道、喷油头和节流系统等）是使用EOS的直接金属激光烧结技术（DMLS）制造的，使用Inconel系列镍基高温合金打印完成，具有高强度和高强韧性。
  • 猎鹰9号运载火箭搭载3D打印主氧化剂阀：2014年1月，SpaceX成功发射了猎鹰9号运载火箭（Falcon 9），其中9个Merlin 1D发动机中的一个使用了3D打印的Main Oxidizer Valve（MOV，主氧化剂阀门）主体，这是SpaceX第一次发射使用3D打印零件的火箭。与传统铸造件相比，3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性，并且与典型铸件周期以月来计算相比，3D打印阀体在两天内就完成了。
  • Velo3D获得SpaceX大批3D打印机订单： 2020年4月，无支撑金属3D打印厂商Velo3D成功地获得了制造业中技术要求最高的合同之一——为世界上最成功的新型私人火箭公司SpaceX提供22台 3D打印机；
  • 竞争对手相对论空间高管来自SpaceX：3D 打印火箭公司相对论空间（Relativity Space）的首席技术官乔丹·诺恩 (Jordan Noone)曾在SpaceX担任推进发展工程师，该公司所开发的Terran系列火箭采用全金属3D打印技术，与SpaceX的技术有着诸多相通之处；

△图片：SpaceX3D打印的氧化剂阀体

除此之外，SpaceX用于星际飞船和超重型助推器的猛禽发动机的喷油器板也皆是通过金属3D打印技术完成制造。在过去的几十年里，SpaceX与多个3D打印品牌合作为其火箭制造零件，其中最著名的是EOS、Concept Laser(GE公司)、Velo3D、SLMSolutions、Stratasys和3D Systems等。
(责任编辑：admin)
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