馬斯克：SpaceX擁有世界上先進的金屬3D打印技術(shù)，猛禽3火箭發(fā)動機大升級，推力280噸

2024年8月5日，南極熊獲悉，美國航空航天公司SpaceX近期對外公布了其火箭推進技術(shù)的最新突破：首臺三代猛禽（Raptor 3，海平面版本）火箭發(fā)動機出廠，這一消息也預示著Raptor 3 發(fā)動機正式進入量產(chǎn)階段。升級后的Raptor 3發(fā)動機的具體參數(shù)如下：

• 推力：280噸
• 比沖：350s
• 發(fā)動機質(zhì)量：1525kg
• 發(fā)動機+整車側(cè)配件及硬件質(zhì)量：1720kg
  

金屬3D技術(shù)助力猛禽發(fā)動機輕量化

光看Raptor 3 的圖片可能沒有什么感覺，但如果和前代的Raptor 2，或是第一代的Raptor 1 放在一起比較，就能明顯看到Raptor 3 的結(jié)構(gòu)更加簡化，同時大量原本糾纏在外的管線都已經(jīng)消失了（見下圖）。Raptor 3能有如此驚人的變化，主要的原因有兩個：首先，早期的火箭引擎在設(shè)計上遠不成熟，許多的管線所需的管徑、長度、連接點、材料等，都還要一一實驗、測試，因此裸露在外有助于工程師進行調(diào)整或是更換。另一方面，則是由于早期的Raptor 其實在外部裝有諸多的感應(yīng)器在收集引擎內(nèi)部的各種信息，因此也有部份的管線與此相關(guān)。

△Raptor系列1-3代發(fā)動機對比

在最新一代的Raptor 3 上，基本上所有的相關(guān)測試與數(shù)據(jù)收集都已經(jīng)完成。因此，SpaceX利用金屬3D 打印的技術(shù)，將大量的管線整合到引擎中，只留下這個一個干凈利落的發(fā)動機外殼。當然，這不光只是生產(chǎn)簡單、降低成本而已——減少裸露的管線數(shù)量，也意味著Raptor3 不再需要特殊的隔熱罩，避開了隔熱罩所帶來的額外復雜性與滅火問題。

△Raptor3 零件壁上整合了大量管線，內(nèi)部集成了二級流道和冷卻結(jié)構(gòu)

據(jù)SpaceX 提供的數(shù)據(jù)，單臺Raptor3（海平面版本）具備280噸的推力與350s 的比沖，而引擎本身的重量僅1,525kg，如果再加上火箭上必要的零件，總重為1,720kg。相較之下，前代的Raptor 2 則為230噸的推力、347s 的比沖、1,630kg 的引擎重量與2,875kg 的總重。先進金屬3D打印工藝的使用使得Raptor 3減重7%，推力相較于Raptor 2 高出了 21% ，更是比初代Raptor提高了51%。光是這種數(shù)字就已經(jīng)可以看到明顯的差距，特別是Starship 的Superheavy 下級火箭上配置了多達33 臺的Raptor 引擎，每一臺引擎都省下1.1 噸的話，這總重量可是非�？捎^的。

△Raptor 3發(fā)動機具有極致簡約的外觀

在最新發(fā)布的新聞帖子中，SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克也強調(diào)了猛禽發(fā)動機系列新版本的重大進步，強調(diào)其效率提高、推力增加、復雜性降低。此外，他還聲稱 Raptor3 的開發(fā)工作量 “驚人”。在Raptor 3此次的改進升級中，SpaceX 團隊專注于三個關(guān)鍵領(lǐng)域：

• 簡化發(fā)動機設(shè)計；
• 內(nèi)化次級流道；
• 增加外露部件的再生冷卻；
  

這些改進帶來了一項顯著的成果：Raptor 3 發(fā)動機不再需要隔熱板。取消隔熱板帶來了兩個顯著好處。首先，它降低了發(fā)動機的總重量，這是火箭設(shè)計中至關(guān)重要的因素，因為每一公斤都至關(guān)重要。其次，它消除了與隔熱罩集成和維護相關(guān)的復雜性。此外，由于沒有隔熱罩，SpaceX可以取消滅火系統(tǒng)，進一步簡化發(fā)動機的設(shè)計并減少潛在的故障點。

馬斯克還指出，盡管進行了這些簡化，但 Raptor 3 在幾個關(guān)鍵指標上仍優(yōu)于其前身 Raptor 2代。因此，新一代Raptor3具備了整體重量更輕、推力輸出增加和效率更高三大優(yōu)勢。這些改進尤其值得注意，因為它們同時解決了火箭發(fā)動機性能的多個方面。通常，一個領(lǐng)域的改進可能會以犧牲另一個領(lǐng)域為代價，但 Raptor 3 似乎已全面取得了進步。在文章最后，馬斯克稱贊Raptor 3 發(fā)動機“真的是一件藝術(shù)品”，凸顯了其開發(fā)過程中工程實力與創(chuàng)新設(shè)計的融合。

然而，馬斯克認為Raptor 3 其實還有些微的改進空間，未來的最終版本可能會超過300噸的推力，并達到難以想像的200 推重比，而比沖的部份則還有大約5 秒的提升空間。但這已經(jīng)接近已知物理的極限，因此現(xiàn)在的Raptor 3 應(yīng)該不會再有太幅度的改動，只剩下量產(chǎn)了。

毫無疑問，Raptor 發(fā)動機系列的最新發(fā)展代表著 SpaceX 在提高其火箭系統(tǒng)性能和可靠性方面邁出了重要一步。隨著公司不斷突破太空技術(shù)的界限，Raptor 3 發(fā)動機等創(chuàng)新對于推進 SpaceX 雄心勃勃的太空探索和外星球移民目標發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

SpaceX熱衷于使用3D打印制造航空航天零部件

作為在航空航天工業(yè)中增材制造技術(shù)的先驅(qū)，SpaceX一直在廣泛利用該技術(shù)為其火箭和航天器制造零件，特別是那些使用傳統(tǒng)方法難以或不可能制造的零件。雖然SpaceX對其3D打印應(yīng)用的詳細信息保密，但外界猜測SpaceX所采用的3D打印工藝大概率為激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)，且近年來不斷涌現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用案例，例如：

• 龍飛船裝載3D打印火箭發(fā)動機SuperDraco：2020年5月，SpaceX成功發(fā)射全球首次商業(yè)載人龍飛船（Dragon）。二代Dragon載人飛船裝有8臺SuperDraco發(fā)動機，這也是全球首款投入使用的3D打印飛船引擎。其中，SuperDraco發(fā)動機的多處關(guān)鍵零部件（火箭發(fā)動機室、主氧化劑閥閥體、冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)等）是使用EOS的直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）制造的，使用Inconel系列鎳基高溫合金打印完成，具有高強度和高強韌性。
• 獵鷹9號運載火箭搭載3D打印主氧化劑閥：2014年1月，SpaceX成功發(fā)射了獵鷹9號運載火箭（Falcon 9），其中9個Merlin 1D發(fā)動機中的一個使用了3D打印的Main Oxidizer Valve（MOV，主氧化劑閥門）主體，這是SpaceX第一次發(fā)射使用3D打印零件的火箭。與傳統(tǒng)鑄造件相比，3D打印閥體具有優(yōu)異的強度、延展性和抗斷裂性，并且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D打印閥體在兩天內(nèi)就完成了。
• Velo3D獲得SpaceX大批3D打印機訂單： 2020年4月，無支撐金屬3D打印廠商Velo3D成功地獲得了制造業(yè)中技術(shù)要求最高的合同之一——為世界上最成功的新型私人火箭公司SpaceX提供22臺 3D打印機；
• 競爭對手相對論空間高管來自SpaceX：3D 打印火箭公司相對論空間（Relativity Space）的首席技術(shù)官喬丹·諾恩 (Jordan Noone)曾在SpaceX擔任推進發(fā)展工程師，該公司所開發(fā)的Terran系列火箭采用全金屬3D打印技術(shù)，與SpaceX的技術(shù)有著諸多相通之處；
  

△圖片：SpaceX3D打印的氧化劑閥體

除此之外，SpaceX用于星際飛船和超重型助推器的猛禽發(fā)動機的噴油器板也皆是通過金屬3D打印技術(shù)完成制造。在過去的幾十年里，SpaceX與多個3D打印品牌合作為其火箭制造零件，其中最著名的是EOS、Concept Laser(GE公司)、Velo3D、SLMSolutions、Stratasys和3D Systems等。