自今年5月開始，從新一代載人飛船、天問一號火星探測器到嫦娥五號月球探測器，3D打印技術(shù)在我國航空航天領(lǐng)域得到了大量直接應(yīng)用和在軌驗(yàn)證，取得了重要進(jìn)展。在國際范圍內(nèi)，SpaceX已開始執(zhí)行NASA商業(yè)載人航天任務(wù)，從龍飛船發(fā)動機(jī)到宇航員頭盔，3D打印同樣發(fā)揮了重要作用。本期，我們列舉中美兩國航空航天企業(yè)對3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展。

美國航空航天企業(yè)3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

美國航空航天業(yè)采用3D打印技術(shù)的案例多集中在民營航空領(lǐng)域，像Relativity Space、Rocketlab、Launcher公開宣稱采用3D打印來制造火箭，SpaceX也不乏3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

Relativity Space是第一家進(jìn)行3D打印整個(gè)火箭的公司，該公司上月宣布完成了5億美元D輪融資。其利用3D打印技術(shù)將運(yùn)載火箭的零件數(shù)量從10萬個(gè)降低到1000個(gè)以下，零件數(shù)僅為原來的1%，不僅提高了火箭發(fā)動機(jī)的效率，而且通過零件的重新設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)改造，有效降低了火箭發(fā)動機(jī)重量，可謂兩全其美。

Relativity Space 3D打印的Aeon1發(fā)動機(jī)，約由100個(gè)零件組成

Relativity Space 世界最大的金屬3D打印機(jī)，一只手臂進(jìn)行熔絲增材制造，另兩只用來進(jìn)行減材加工

Launcher開發(fā)的E-2火箭發(fā)動機(jī)是一個(gè)整體式的高性能銅合金結(jié)構(gòu)，也是世界上最大的單部件3D打印液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室，它沒有任何組裝零件，內(nèi)部集成了復(fù)雜的冷卻通道，這一設(shè)計(jì)使其進(jìn)入軌道所需的推進(jìn)劑更少，運(yùn)載的貨物更多，成本更低。

Launcher 3D打印的一體式銅合金火箭發(fā)動機(jī)燃燒室，高度達(dá)86cm、直徑40cm

Launcher 3D打印的一體式銅合金火箭發(fā)動機(jī)燃燒室

2016年，Rocket Lab 開發(fā)出世界首臺采用電動泵輸送推進(jìn)劑的液體發(fā)動機(jī)——“盧瑟?！保?5％以上的部件采用3D打印制造，可3天完成生產(chǎn)。截至2019年7月，Rocket Lab取得了里程碑式的進(jìn)展，成功完成了第100臺3D打印火箭發(fā)動機(jī)的制造，其中70臺已經(jīng)投入太空使用。11月，該公司還成功回收了一級火箭。

Rocket Lab 火箭上的9臺發(fā)動機(jī)均為3D打印制造

SpaceX在3D打印的使用方面公開報(bào)道的案例實(shí)際上并不如其他公司，Relativity的創(chuàng)始人也表示前者并沒有充分利用3D打印技術(shù)，但馬斯克從不諱言對這項(xiàng)技術(shù)的青睞。

中國航空航天企業(yè)3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

和美國動輒打印整枚火箭發(fā)動機(jī)甚至整個(gè)火箭不同，中國航天無論是國家隊(duì)還是民營企業(yè)都沒有像美國企業(yè)那樣激進(jìn)，極少看到大規(guī)模整合零件數(shù)量、大幅降低發(fā)射成本的報(bào)道。不過，從近幾年的應(yīng)用來說，取得的進(jìn)步仍然讓我們振奮。

在國家隊(duì)方面，2020年5月發(fā)射的新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙防熱大底框架采用激光沉積3D打印制造，同時(shí)實(shí)驗(yàn)船還搭載了立方星3D打印新型部署器以及其他60余件金屬3D打印產(chǎn)品，同期更是完成了多種3D打印技術(shù)的太空在軌驗(yàn)證；7月，“天問一號”發(fā)射成功，與新一代載人飛船實(shí)驗(yàn)船一樣，它們都由長征五號發(fā)射。航天科技一院長征五號運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師李東曾經(jīng)介紹稱3D打印將為今后火箭的主承力部段輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。2019年，一院211廠完成首批長征五號系列運(yùn)載火箭芯級捆綁支座的批生產(chǎn)，該部件是我國首個(gè)采用全3D打印的米級關(guān)鍵承力構(gòu)件，重量比原來的高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)減少30%；七月發(fā)射的長征五號級間解鎖裝置保護(hù)板采用華曙高科連續(xù)增材制造系統(tǒng)（CAMS）HT1001P解決方案加工而成，整個(gè)部件尺寸直徑約5m，由50件零件拼接而成，耗時(shí)僅48小時(shí)。

采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架實(shí)物

級間解鎖裝置保護(hù)板每個(gè)部件尺寸約為370mm*100mm*125mm

2016年，由中國航天科技集團(tuán)研發(fā)的世界首例衛(wèi)星主體輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)也是采用金屬3D打印技術(shù)制備，采用點(diǎn)陣網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了減重目標(biāo)。國家隊(duì)的其他單位，如航天科技四院、五院、六院、八院等單位也在不同領(lǐng)域取得了不凡的應(yīng)用進(jìn)展。

世界首例衛(wèi)星主體輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)也采用金屬3D打印技術(shù)制備

中國民營航空企業(yè)的發(fā)展目前正處于追趕階段，包括零壹空間、深藍(lán)航天和星際榮耀、藍(lán)箭航天在內(nèi)的企業(yè)在3D打印技術(shù)的應(yīng)用方面也進(jìn)行了積極嘗試。

2020年農(nóng)歷春節(jié)前夕，北京深藍(lán)航天自主研制的“雷霆-5”（LT-5）液體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了首次整機(jī)變推力長程試車，試驗(yàn)取得圓滿成功。整機(jī)研制自2019年4月方案設(shè)計(jì)到2019年8月各零部組件投產(chǎn)，再到2020年1月整機(jī)試車，共歷時(shí)9個(gè)月，刷新了液體火箭發(fā)動機(jī)研制的“中國速度”。在產(chǎn)品制造方面，深藍(lán)航天大量采用3D打印工藝，推力室主體結(jié)構(gòu)全部采用3D打印制造。通過采用3D打印、電動驅(qū)控等新工藝新技術(shù)，顯著提高了產(chǎn)品的可靠性和測試維護(hù)性以及研制的迭代速度，將主要零部件的生產(chǎn)周期減少到一個(gè)月內(nèi)，從零部件到整機(jī)的裝配時(shí)間則減少到3小時(shí)以內(nèi)。

深藍(lán)航天3D打印的發(fā)動機(jī)推力室

星際榮耀致力于研發(fā)在成本、可回收方面極具競爭力的液體發(fā)動機(jī)。目前已實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)動機(jī)總裝結(jié)構(gòu)的一體打印成型，總裝結(jié)構(gòu)以內(nèi)部成型流道的方式替代傳統(tǒng)的管路件，減少了零件數(shù)量，降低了組裝難度并減少了制造成本。與此同時(shí)，星際榮耀還通過3D打印一體成型了緊湊型渦輪盤，極大降低了加工難度并縮短了加工周期。2019年上半年，星際榮耀完成了15噸級液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)焦點(diǎn)1號（JD-1）的渦輪泵與副系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)。據(jù)公開信息顯示，焦點(diǎn)1號發(fā)動機(jī)渦輪泵75%的零組件采用3D打印工藝，燃?xì)獍l(fā)生器采用全3D打印工藝，零件數(shù)量減少60%。7月，該公司取得中國民營火箭公司的首次成功“入軌”發(fā)射。

星際榮耀運(yùn)載火箭

2018年5月17日，零壹空間自主研發(fā)的OS-X火箭“重慶兩江之星”成功點(diǎn)火升空。這也是中國首枚“民營自研商用亞軌道火箭”，開創(chuàng)了中國商業(yè)航天歷史上的嶄新起點(diǎn)。根據(jù)公開報(bào)道，零壹空間通過3D打印技術(shù)開發(fā)了適用于內(nèi)嵌點(diǎn)火裝置的主動冷卻式針?biāo)▏娮⑵?，使燃料燃燒更為充分，且在一定程度上抑制燃燒不穩(wěn)定性的發(fā)生。

零壹空間火箭試車

2019年11月30日，藍(lán)箭航天“天鵲”10噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)（TQ-11）全系統(tǒng)熱試車成功；上周，藍(lán)箭航天宣布順利攻克朱雀二號液體運(yùn)載火箭大口徑低溫液體輸送管路設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)驗(yàn)證難題，圓滿完成了火箭一級液氧輸送管路低溫振動試驗(yàn)。TQ-11系國內(nèi)現(xiàn)有唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)，是朱雀二號液體運(yùn)載火箭的二級游動發(fā)動機(jī)。據(jù)藍(lán)箭航天介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發(fā)動機(jī)在制造過程中均廣泛采用3D打印技術(shù)，其中燃燒室身部都采用3D打印一體成型，降低了研發(fā)成本和制造周期，而且更容易量產(chǎn)。

TQ-11成為國內(nèi)目前唯一試車時(shí)間破萬的液氧甲烷發(fā)動機(jī)

END

3D打印技術(shù)已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它的制造特點(diǎn)與該行業(yè)所一直追求的減輕重量、節(jié)省燃料、縮短制造時(shí)間、降低成本相吻合。也正因此，該技術(shù)也成為眾多民營航天企業(yè)希望彎道超車的重要依賴之一。

在我國航天領(lǐng)域，“國家隊(duì)”的航天企業(yè)和科研院所一直都是中國航天領(lǐng)域的絕對主力。而體制外的民營航天企業(yè)雖不如國外企業(yè)那般激進(jìn)，但也進(jìn)行了積極探索，仍然展示了3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)在實(shí)現(xiàn)快速迭代、降低研發(fā)成本、提升火箭關(guān)鍵部件性能等方面的優(yōu)勢。未來，我們期待更多航空航天3D打印技術(shù)的應(yīng)用獲得公開報(bào)道，例如探月工程和火星探測任務(wù)等等。

內(nèi)容來源： 3D打印技術(shù)參考