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(dòng)機(jī)原型設(shè)計(jì)多次迭代

2024年10月14日，南極熊獲悉，美國(guó)航空航天公司Space X公司的星艦（Starship）火箭第五次飛行測(cè)試于 10 月 13 日星期日上午 7 點(diǎn)左右準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行，取得了巨大的成功。僅經(jīng)過(guò)五次試飛，SpaceX就能夠開(kāi)發(fā)出有史以來(lái)最大、最強(qiáng)大的航天器，將 Starship 航天器發(fā)射到近地軌道，并在其著陸時(shí)使用科幻風(fēng)格的 Mechazilla 系統(tǒng)和“筷子”接住其巨大的第一級(jí)。

在今年的8月份，SpaceX對(duì)外宣布其首臺(tái)三代猛禽（Raptor 3，海平面版本）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)出廠，這一消息也預(yù)示著Raptor 3 發(fā)動(dòng)機(jī)正式進(jìn)入量產(chǎn)階段：馬斯克：SpaceX擁有世界上先進(jìn)的金屬3D打印技術(shù)，猛禽3火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大升級(jí)，推力280噸-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)。僅過(guò)去了短短兩個(gè)月，SpaceX就已經(jīng)實(shí)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(lèi)的認(rèn)知。

△Raptor系列1-3代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

SpaceX是金屬增材制造技術(shù)的主要用戶(hù)，如果沒(méi)有使用增材制造快速且經(jīng)濟(jì)高效地迭代原型的能力，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，沒(méi)有足夠多的 SpaceX 來(lái)幫助推動(dòng)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(hù)之一，推動(dòng)著龐大且快速增長(zhǎng)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(hù)，盡管規(guī)?？隙ú蝗?SpaceX。航空和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域也有許多增材制造技術(shù)的忠實(shí)用戶(hù)。

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(cè)試向全面快速重復(fù)使用又邁進(jìn)了一步。主要目標(biāo)是首次返回發(fā)射場(chǎng)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(cè)試之前，對(duì) 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(jìn)行了廣泛的升級(jí)。SpaceX 工程師花了數(shù)年時(shí)間準(zhǔn)備和數(shù)月時(shí)間測(cè)試助推器接收嘗試，技術(shù)人員投入了數(shù)萬(wàn)小時(shí)來(lái)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(huì)對(duì)火箭的硬件進(jìn)行數(shù)千次更改?？紤]到上一次發(fā)射僅在幾個(gè)月前進(jìn)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(mǎn)足數(shù)千種不同的運(yùn)載工具和發(fā)射臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，這需要助推器和發(fā)射塔上的系統(tǒng)正常運(yùn)行，并由任務(wù)飛行指揮員手動(dòng)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(dòng)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?chē)鷧^(qū)域出現(xiàn)可聽(tīng)見(jiàn)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(shí)仍提供了實(shí)現(xiàn) SpaceX 的主要目標(biāo)的機(jī)會(huì)，即實(shí)現(xiàn) Starship 的受控再入和水上軟著陸。即使它沒(méi)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(dòng)機(jī)。這也意味著 SpaceX 必須能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然一些較簡(jiǎn)單的零件可以從壓鑄和CNC 組件中采購(gòu)，但所有復(fù)雜的零件和子組件都必須 3D 打印。根本沒(méi)有辦法繞過(guò)它。從 Starfactory 車(chē)間里令人難以置信的助推器數(shù)量來(lái)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(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵升級(jí)是徹底改造其隔熱板，SpaceX 技術(shù)人員花費(fèi)了超過(guò) 12,000 小時(shí)的時(shí)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(hù)裝置替換了整個(gè)熱保護(hù)系統(tǒng)。這項(xiàng)大規(guī)模工作，以及對(duì)飛船操作和再入和著陸燃燒軟件的更新，旨在改進(jìn)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(yàn)為基礎(chǔ)，測(cè)試星際飛船各個(gè)方面的硬件和操作改進(jìn)，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(jì)的基本技術(shù)。通過(guò)在飛行環(huán)境中繼續(xù)推動(dòng)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?lèi)進(jìn)入太空的能力。