接近已知物理的极限, SpaceX Raptor 3增材制造成就火箭工程简约的胜利

随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 SN1 是火箭推进技术的奇迹，代表了设计理念的重大飞跃，强调简约而不牺牲动力或效率。

▲Raptor3

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根据《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》一文，增材制造技术的出现，对液体动力研制模式带来了新的发展空间。增材制造高度契合先进液体动力的发展方向，主要体现在五个层面：（1）高可靠性（2）低成本批量化（3）快速研制（4）轻质化（5）可重复使用（修复和逆向设计）。

为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。

《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等

3D打印正在助力商业航天抢滩火箭性能新里程碑的技术至高点，关于3D打印对火箭制造行业的革新作用， SpaceX首席设计师兼首席执行官埃隆马斯克有着精辟的观点：通过3D打印，可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。通过3D打印来创建高性能的火箭零件，SpaceX正在推动增材制造的极限，而根据埃隆马斯克在x.com社交媒体的透露，几年后，SpaceX最终将拥有 Raptor 3/4 真空版本（巨型喷嘴），其 Isp 为 380。

3D科学谷引用

3D Science Valley Quote

▲液体火箭发动机3D打印应用

3D科学谷白皮书

从根本上改变

几个月前，埃隆展示了 Raptor 3 的愿景，这似乎好得令人难以置信。拟议的设计展示了一定程度的结构简化，许多行业观察家（包括经验丰富的专家）认为这过于雄心勃勃。然而，SpaceX 克服了怀疑，将这一精简概念变为现实。

Raptor 3 的设计理念体现了“少即是多”的原则。通过降低复杂性，SpaceX 旨在提高可靠性——在通常以冗余为特征的行业中，这是一种违反直觉的方法。这种简化不仅仅是美观，从根本上改变了发动机的核心架构。

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虽然 Raptor 3 的外观与其前代产品相比显得非常简洁，但它的大部分复杂性都被巧妙地隐藏了起来。发动机广泛使用集成冷却通道壁，这是 Raptor 2 中很少使用的技术。这些通道现在在整个发动机中更为普遍，为其流线型外观做出了重大贡献。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

零件整合和设计优化

根据3D科学谷的市场研究，SpaceX 的 Raptor 1 到 Raptor 3 发动机的演变确实是零件整合和设计优化的杰出例子，展示了如何通过技术创新实现性能提升和成本降低：

重量减轻：Raptor 3 相比 Raptor 1 重量减轻了 36%，这得益于零件的整合和材料的优化，使得发动机更加轻巧，同时提高了推重比。

推力增加：Raptor 3 的海平面推力增加了 51%，这是通过提高燃烧室压力和优化燃烧过程实现的，显著提升了发动机的性能。

零件整合：Raptor 3 通过内部化次级流道和增加外露部件的再生冷却，减少了外部部件的需求，从而简化了设计。

消除隔热罩：由于设计改进，Raptor 3 不再需要隔热罩，这不仅减轻了质量，还减少了与隔热罩集成和维护相关的复杂性。

简化设计：取消隔热罩和灭火系统，进一步简化了发动机的设计，减少了潜在的故障点，提高了系统的可靠性。

增材制造：大量使用增材制造技术是实现这些改进的关键因素之一。这种技术允许更复杂的零件设计，同时减少制造时间和成本。

Raptor 发动机的这些进步不仅体现了 SpaceX 在火箭发动机设计上的领先地位，也为整个航天工业提供了零件整合和设计简化的范例。通过这些创新，SpaceX 能够以更低的成本实现更高的性能，为未来的太空探索和铺平了道路。

Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。

SpaceX正在继续改进 Raptor 3，很明显他们不仅仅是在探索星空——他们还在简化旅程。这款发动机代表了火箭设计的范式转变，证明了在太空探索领域，有时最简单的解决方案可以产生最具爆炸性的影响。

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