SpaceX超大型星艦火箭再創(chuàng)紀(jì)錄，金屬3D打印技術(shù)助力發(fā)動機原型設(shè)計多次迭代

2024年10月14日，南極熊獲悉，美國航空航天公司Space X公司的星艦（Starship）火箭第五次飛行測試于 10 月 13 日星期日上午 7 點左右準(zhǔn)時進行，取得了巨大的成功。僅經(jīng)過五次試飛，SpaceX就能夠開發(fā)出有史以來最大、最強大的航天器，將 Starship 航天器發(fā)射到近地軌道，并在其著陸時使用科幻風(fēng)格的 Mechazilla 系統(tǒng)和“筷子”接住其巨大的第一級。

在今年的8月份，SpaceX對外宣布其首臺三代猛禽（Raptor 3，海平面版本）火箭發(fā)動機出廠，這一消息也預(yù)示著Raptor 3 發(fā)動機正式進入量產(chǎn)階段：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-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺 (nanjixiong.com)。僅過去了短短兩個月，SpaceX就已經(jīng)實現(xiàn)了星艦火箭的第五次發(fā)射，尤其這次 “筷子夾住火箭”的著陸回收方式更是刷新了人類的認(rèn)知。

△Raptor系列1-3代發(fā)動機對比

SpaceX是金屬增材制造技術(shù)的主要用戶，如果沒有使用增材制造快速且經(jīng)濟高效地迭代原型的能力，這一切都不可能實現(xiàn)。遺憾的是，沒有足夠多的 SpaceX 來幫助推動增材制造的采用。盡管如此，航空航天公司仍然是增材制造的最大用戶之一，推動著龐大且快速增長的全球業(yè)務(wù)。VAST、Rocket Lab、UrsaMajor、Relativity 和 Beehive 等先鋒太空公司都是增材制造的重度用戶，盡管規(guī)模肯定不如 SpaceX。航空和無人機領(lǐng)域也有許多增材制造技術(shù)的忠實用戶。

SpaceX星艦的第四次飛行也取得了巨大的成功。在完全成功升空之后，助推器首次在墨西哥灣軟著陸，星際飛船成功重返大氣層，隨后著陸燃燒并濺落到印度洋。

星艦的第五次飛行測試向全面快速重復(fù)使用又邁進了一步。主要目標(biāo)是首次返回發(fā)射場并接住超重型助推器，以及星艦的另一次再入和著陸燃燒，目標(biāo)是星艦在印度洋上準(zhǔn)確濺落。

在這次飛行測試之前，對 Super Heavy、Starship 以及 Starbase 的發(fā)射和接收塔基礎(chǔ)設(shè)施的硬件和軟件進行了廣泛的升級。SpaceX 工程師花了數(shù)年時間準(zhǔn)備和數(shù)月時間測試助推器接收嘗試，技術(shù)人員投入了數(shù)萬小時來構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，以最大限度地提高成功率。在最近一次參觀 Starfactory 期間，馬斯克告訴 Youtuber EveryDayAstronaut，每次發(fā)射后，都會對火箭的硬件進行數(shù)千次更改。考慮到上一次發(fā)射僅在幾個月前進行，這需要非常高速的制造能力。

在超重型火箭助推器返回并嘗試回收之前，必須滿足數(shù)千種不同的運載工具和發(fā)射臺標(biāo)準(zhǔn)，這需要助推器和發(fā)射塔上的系統(tǒng)正常運行，并由任務(wù)飛行指揮員手動發(fā)出指令。如果在助推器回燃完成之前未發(fā)出此指令，或者自動健康檢查顯示超重型火箭或發(fā)射塔的狀況不可接受，助推器將默認(rèn)采用著陸燃燒和軟濺落墨西哥灣的軌跡。返回的助推器從超音速減速，導(dǎo)致著陸區(qū)周圍區(qū)域出現(xiàn)可聽見的音爆。

星艦的飛行軌跡與上次試飛相似，濺落在印度洋。該飛行路徑不需要脫離軌道燃燒即可再入，最大限度地保障了公共安全，同時仍提供了實現(xiàn) SpaceX 的主要目標(biāo)的機會，即實現(xiàn) Starship 的受控再入和水上軟著陸。即使它沒有墜毀，降落在海洋中也意味著必須犧牲 Starship 的許多部件 - 包括發(fā)動機。這也意味著 SpaceX 必須能夠快速且經(jīng)濟高效地生產(chǎn)多臺發(fā)動機。雖然一些較簡單的零件可以從壓鑄和CNC 組件中采購，但所有復(fù)雜的零件和子組件都必須 3D 打印。根本沒有辦法繞過它。從 Starfactory 車間里令人難以置信的助推器數(shù)量來判斷，這意味著大量的增材制造部件被使用。

星艦在飛行前進行的一項關(guān)鍵升級是徹底改造其隔熱板，SpaceX 技術(shù)人員花費了超過 12,000 小時的時間，用新一代隔熱板、備用燒蝕層和襟翼結(jié)構(gòu)之間的額外保護裝置替換了整個熱保護系統(tǒng)。這項大規(guī)模工作，以及對飛船操作和再入和著陸燃燒軟件的更新，旨在改進上一次飛行，并使星艦在印度洋目標(biāo)區(qū)域軟著陸。

每次飛行都以上一次飛行的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，測試星際飛船各個方面的硬件和操作改進，該公司現(xiàn)在即將展示星際飛船完全快速重復(fù)使用設(shè)計的基本技術(shù)。通過在飛行環(huán)境中繼續(xù)推動硬件，并盡可能安全和頻繁地這樣做，SpaceX 正在迅速使星際飛船上線并徹底改變?nèi)祟愡M入太空的能力。