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打印技術在我國航空航天領域得到了大量直接應用和在軌驗證，取得了重要進展。在國際范圍內(nèi)，SpaceX已開始執(zhí)行NASA商業(yè)載人航天任務，從龍飛船發(fā)動機到宇航員頭盔，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打印技術的應用進展。

美國航空航天企業(yè)3D打印技術應用進展

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

Relativity Space是第一家進行3D打印整個火箭的公司，該公司上月宣布完成了5億美元D輪融資。其利用3D打印技術將運載火箭的零件數(shù)量從10萬個降低到1000個以下，零件數(shù)僅為原來的1%，不僅提高了火箭發(fā)動機的效率，而且通過零件的重新設計或結構改造，有效降低了火箭發(fā)動機重量，可謂兩全其美。

Relativity Space 3D打印的Aeon1發(fā)動機，約由100個零件組成

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

Launcher開發(fā)的E-2火箭發(fā)動機是一個整體式的高性能銅合金結構，也是世界上最大的單部件3D打印液體火箭發(fā)動機燃燒室，它沒有任何組裝零件，內(nèi)部集成了復雜的冷卻通道，這一設計使其進入軌道所需的推進劑更少，運載的貨物更多，成本更低。

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

Launcher 3D打印的一體式銅合金火箭發(fā)動機燃燒室

2016年，Rocket Lab 開發(fā)出世界首臺采用電動泵輸送推進劑的液體發(fā)動機——“盧瑟?！?，其75％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展，成功完成了第100臺3D打印火箭發(fā)動機的制造，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)動機均為3D打印制造

SpaceX在3D打印的使用方面公開報道的案例實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，但馬斯克從不諱言對這項技術的青睞。

中國航空航天企業(yè)3D打印技術應用進展

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

在國家隊方面，2020年5月發(fā)射的新一代載人飛船試驗船返回艙防熱大底框架采用激光沉積3D打印制造，同時實驗船還搭載了立方星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打印技術的太空在軌驗證；7月，“天問一號”發(fā)射成功，與新一代載人飛船實驗船一樣，它們都由長征五號發(fā)射。航天科技一院長征五號運載火箭總設計師李東曾經(jīng)介紹稱3D打印將為今后火箭的主承力部段輕量化結構設計與制造提供強有力的技術支撐。2019年，一院211廠完成首批長征五號系列運載火箭芯級捆綁支座的批生產(chǎn)，該部件是我國首個采用全3D打印的米級關鍵承力構件，重量比原來的高強鋼設計減少30%；七月發(fā)射的長征五號級間解鎖裝置保護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，整個部件尺寸直徑約5m，由50件零件拼接而成，耗時僅48小時。

采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架實物

級間解鎖裝置保護板每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm

2016年，由中國航天科技集團研發(fā)的世界首例衛(wèi)星主體輕量化點陣結構也是采用金屬3D打印技術制備，采用點陣網(wǎng)格優(yōu)化設計成功實現(xiàn)了減重目標。國家隊的其他單位，如航天科技四院、五院、六院、八院等單位也在不同領域取得了不凡的應用進展。

世界首例衛(wèi)星主體輕量化點陣結構也采用金屬3D打印技術制備

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、深藍航天和星際榮耀、藍箭航天在內(nèi)的企業(yè)在3D打印技術的應用方面也進行了積極嘗試。

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

深藍航天3D打印的發(fā)動機推力室

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。目前已實現(xiàn)火箭發(fā)動機總裝結構的一體打印成型，總裝結構以內(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，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)動機焦點1號（JD-1）的渦輪泵與副系統(tǒng)聯(lián)合試驗。據(jù)公開信息顯示，焦點1號發(fā)動機渦輪泵75%的零組件采用3D打印工藝，燃氣發(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。根據(jù)公開報道，零壹空間通過3D打印技術開發(fā)了適用于內(nèi)嵌點火裝置的主動冷卻式針栓噴注器，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，藍箭航天“天鵲”10噸級液氧甲烷發(fā)動機（TQ-11）全系統(tǒng)熱試車成功；上周，藍箭航天宣布順利攻克朱雀二號液體運載火箭大口徑低溫液體輸送管路設計、制造和試驗驗證難題，圓滿完成了火箭一級液氧輸送管路低溫振動試驗。TQ-11系國內(nèi)現(xiàn)有唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動機，是朱雀二號液體運載火箭的二級游動發(fā)動機。據(jù)藍箭航天介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發(fā)動機在制造過程中均廣泛采用3D打印技術，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)目前唯一試車時間破萬的液氧甲烷發(fā)動機

END

3D打印技術已經(jīng)成為航空航天領域的一項關鍵技術，它的制造特點與該行業(yè)所一直追求的減輕重量、節(jié)省燃料、縮短制造時間、降低成本相吻合。也正因此，該技術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。

在我國航天領域，“國家隊”的航天企業(yè)和科研院所一直都是中國航天領域的絕對主力。而體制外的民營航天企業(yè)雖不如國外企業(yè)那般激進，但也進行了積極探索，仍然展示了3D打印等先進制造技術在實現(xiàn)快速迭代、降低研發(fā)成本、提升火箭關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打印技術的應用獲得公開報道，例如探月工程和火星探測任務等等。

內(nèi)容來源： 3D打印技術參考