中国3D打印企业Raise3D为SpaceX火箭回收再发射提速

有人评价伊隆·马斯克(Elon Musk)是继乔布斯之后当代最伟大的企业家,在马斯克创立的多个企业中,SpaceX毫无疑问是王冠上最璀璨的钻石,其让人类成为多行星文明的企业愿景,也使得SpaceX成为了全美毕业生最想进入的企业。

SpaceX 在火箭回收、翻修、迭代方面不断挑战着人类工程技术的极限。在SpaceX 的太空征程中,3D打印技术无论是在直接制造轻量化火箭发动机零部件,还是在翻修过程中快速定制工装夹具领域,都发挥了重要作用。

本期,3D科学谷将与谷友们共同了解SpaceX的制胜之道,以及SpaceX 在猎鹰火箭翻修中应用的3D打印技术。

Mask_1马斯克在演讲中展示“殖民火星计划”的火星基地α(Mars Base Alpha)© Raise3D

低成本、可回收

block 比节日烟花更频繁的发射次数

SpaceX的发射有多频繁?2020年,SpaceX共发射火箭26次,成功26次,从发射总量而言,占全球商业航天的70%。

Mask_SpaceX数据来源:航天爱好者网© Raise3D

不过相比发射数量而言,更让人震惊的是,2020年SpaceX的发射全部使用的“猎鹰-9”火箭(Falcon 9)。

Rsise_Rockets猎鹰-9号火箭家族© Raise3D

猎鹰-9是仅次于重型猎鹰的大载重运载火箭。到达全动力后,9台发动机每秒耗费燃料和液氧3200 lbs,产生约850,000磅(38.55吨)的动力,近地轨道有效载荷质量22.8吨。

这使得SpaceX的火箭可以实现“一箭多星”甚至“一箭百星”,也造就了入轨航天器发射数量遥遥领先。

SpaceX_Rockets_1SpaceX Starlink(星链)项目一箭多星示意图© Raise3D

下面的全球统计口径我们可以相对比较清晰地了解SpaceX的发射次数和入轨航天器数量——SpaceX承担了的美国的90%的入轨航天器的发射量。如果把SpaceX以外的全球所有其他机构(包括美国其他机构)组成公司,其发射入轨航天器的总量仅仅为SpaceX的一半。要知道,这都是在2020年美国疫情下完成的,到今年一月开始SpaceX平均每10天就进行一次发射,而这种效率的基础,就是SpaceX 火箭的模块化组装和回收能力。

Raise3D_1© Raise3D

block 回收、翻修、迭代-挑战人类工程技术的极限

SpaceX火箭一级回收技术是它被人熟知的开始,自2015年首次成功以来,媒体和大众早就习以为常。2017年更是实现了14次尝试,全部成功,其中4次实现了发射“二手火箭”2018年4月首次试射成功的猎鹰重型火箭,左右两个“捆绑”的助推器其实就是之前成功回收的火箭一级助推器,中间的为崭新的火箭一级助推器。一个新的猎鹰9号火箭相当于一枚崭新的猎鹰9号火箭和两枚被回收的火箭一级助推器组合而来。

Raise3D_Rocket_2降落中的重型猎鹰火箭© Raise3D

一枚崭新的猎鹰9号(Falcon 9)火箭报价在5500-6200万美元之间,远低于同类的宇宙神5(Atlas-5)和德尔塔4(Delta-4)1-4亿美元不等的报价。得益于可回收火箭这项独门绝技,经过维修后的“二手火箭”再次登场时,相比新火箭,报价将打七折左右,但运力没有区别。这使得它的竞争力进一步上升。

同时通过回收火箭,工程师可以更加了解火箭的配重、燃料并且进行结构优化,同样以猎鹰9火箭为例,从v1.1到FT的版本提升中,F9 FT比F9 v1.1仅仅增重不到10%,9个Merlin 1-D的推进能力被从588吨提到了761吨,提高了30%,低地球轨道运载能力增加了9吨, 近之前版本荷载的70%。

block Raise3D如何助力SpaceX火箭翻修

作为SpaceX的重要供应商之一,Elite Aerospace负责承担于SpaceX部分航天部件的翻修工作。如何满足SpaceX回收后快速重复发射的商业模式,以及应付马斯克本人的隔三差五邮件要求的“速度越快越好”成为了Elite Aerospace公司工作的重中之重。

Raise3D_2图中的猎鹰一级助推器已经是第六次使用© Raise3D

在翻新使用的猎鹰火箭时候,首先要确定哪些零件需要更换或者维修,然后确定好维修的加工工艺,接着是针对加工工艺开发定制夹具。

Elite Aerospace公司机加中心© Raise3D

由于每次发射的火箭都有迭代,且实际损耗的部位不同,无法提前预知。因此如何快速地定制开发出夹具成为了Elite Aerospace在承接SpaceX的猎鹰火箭翻修任务中最大的挑战之一。就在不知道如何应对马斯克的下一封邮件的时候,SpaceX的研发人员在和Elite Aerospace的交流过程中,向他们推荐可以尝试使用中国3D打印企业上海复志-Raise3D 的3D打印机来制作夹具。

NASA_Raise3DNASA很早就使用Raise3D的打印机进行创新开发

来源:NASA空间技术转化项目报告Bring NASA Technology Down to Earth© Raise3D

这一想法被很快验证可行,大尺寸、打印精度、打印效率、可兼容的耗材、可控设备成本——Elite Aerospace公司在使用过Raise3D打印机之后,立刻和其他航空航天企业一样成为了Raise3D的忠实拥趸。并在之后采购了多款机型。通过使用这一技术除了解决了SpaceX的交付时间要求,同时也为整个项目节省了数百万美元的经费。

航空航天工程是人类工程科技的集大成者,每一个部件的生产和装配的设计都需要专业的分工和加工链支持。如今,3D打印已经是如此复杂工程网络中不可或缺的一员。Raise3D帮助NASA、SpaceX的研发和工程人员压缩时间(TIME COMPERSSION),为人类可见未来的火星移民增添一份绵薄之力。

l 文章来源:上海复志-Raise3D

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