一文洞悉商業(yè)航天火箭領域的3D打印進展

魔猴君  行業(yè)資訊   1608天前

北京時間 5 月 31 日，SpaceX 最新的載人龍飛船在美國肯尼迪航天中心39A發(fā)射臺成功發(fā)射，在全球觀眾的注視下，載著兩名宇航員前往國際空間站。執(zhí)行此次飛行任務的是兩名資深宇航員鮑勃·本肯 (Bob Behnken)、道格·赫爾利 (Doug Hurley）。

而值得業(yè)界關注的是，獵鷹9號火箭和龍飛船2號大量使用了3D打印技術。正如《3D打印與工業(yè)制造》一書中談到的，3D打印技術已成為航天制造機構(gòu)搶灘下一代經(jīng)濟性、可重復利用火箭發(fā)動機的重要“籌碼”。國際上這些商業(yè)化航天企業(yè)在高性能火箭發(fā)動機部件制造中大膽嘗試著3D打印技術。

這使得人們不僅好奇，3D打印在催生商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)領域發(fā)揮了怎樣的四兩撥千斤的作用？國內(nèi)外目前的進展怎樣？

3D打印新技術催生設計與制造一體化的商業(yè)新生代

摩根士丹利（Morgan Stanley）估計，到 2040年，全球航天產(chǎn)業(yè)的收入將從目前的 3,500億美元發(fā)展到超過1萬億美元的市場規(guī)模。

3D打印開啟了下一代經(jīng)濟性的火箭發(fā)動機制造之路。3D打印對于火箭的制造是顛覆性的，這體現(xiàn)在從設計到供應鏈和庫存管理，再到質(zhì)量控制等各個環(huán)節(jié)。

目前3D打印在火箭領域的應用集中在推力室的3D打印，發(fā)動機噴嘴頭、整流罩，氧化劑閥體、泵等零件。其中，使用基于粉末床的選區(qū)金屬熔化3D打印技術時，冷卻管道將直接作為設計中的一部分，并在同一生產(chǎn)過程中與整個腔體一起成型，這是3D打印推力室的魅力之處。

l 國際

除了老牌的航天企業(yè)，根據(jù)3D科學谷的市場觀察，利用3D打印迅速獲得競爭優(yōu)勢的創(chuàng)業(yè)企業(yè)包括伊隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)建的Space X, 以及亞馬遜CEO杰夫貝索斯創(chuàng)立的Blue Origin，可能是該產(chǎn)業(yè)最大的參與者之一。除此之外，還有起步較晚的Launcher、Relativity Space、Rocket Lab、Tri-D Dynamics等初創(chuàng)公司。

Relativity Space

Relativity Space是一家非常年輕的公司，從Blue Origin和SpaceX身上吸取了經(jīng)驗，Relativity Space創(chuàng)始人團隊是20出頭的大學畢業(yè)生, 通過利用全面的3D打印方法，Relativity Space將全面自動化火箭的生產(chǎn)。這將改變發(fā)射行業(yè)對于火箭的交付時間、產(chǎn)品迭代速度和成本的看法。

Relativity Space正在進行火箭部件的3D打印和組裝工作。完成后，火箭能夠?qū)?250千克的有效載荷送入低地球軌道，發(fā)射成本約為1000萬美元。如果成功，這也將使該公司成為發(fā)射成本最低的公司之一。

Launcher

初創(chuàng)的航天企業(yè)Launcher 與合作伙伴3T、EOS 也開發(fā)了3D打印銅合金火箭發(fā)動機部件，3D打印技術的應用可以減少發(fā)動機零件數(shù)量，縮短開發(fā)時間，并且更加易于制造復雜功能集成的部件。

Launcher開發(fā)的銅合金3D打印推力室

發(fā)動機點火測試

Launcher 開發(fā)的3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動機部件就集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發(fā)動機冷卻效率得到提升。

NASA video-2視頻：Launcher開發(fā)的銅合金3D打印推力室

Rocket Lab

根據(jù)3D科學谷的市場研究，近日，Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權(quán)日2020年1月7日），詳細的披露了Rocket Lab通過增材制造工藝來制造火箭推力室、用于火箭發(fā)動機的噴射器和渦輪泵。

Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權(quán)日2020年1月7日）

用于火箭發(fā)動機的傳統(tǒng)渦輪泵組件通常包括由一個或多個渦輪機械驅(qū)動的離心推進劑泵。該系統(tǒng)的控制非常復雜，因為需要從推進劑泵流出的少量推進劑來供應氣體發(fā)生器，從而為渦輪機提供動力。

Rocket lab的專利確定使用增材制造技術用于渦輪泵組件生產(chǎn)可以極大地簡化這種系統(tǒng)的組裝，通過選區(qū)金屬熔化工藝來制造各種部件將大大降低這種系統(tǒng)的組裝復雜性。

3D打印-增材制造技術允許形成復雜的幾何形狀，而使用傳統(tǒng)的減材加工技術或鑄造/注射成型技術很難或不可能實現(xiàn)。3D打印技術的這種靈活性在火箭發(fā)動機設計領域提供了獨特的機會。

l 國內(nèi)

零壹空間

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。

零壹空間所獲批的內(nèi)嵌點火裝置的主動冷卻式針栓噴注器專利CN 109630319A

根據(jù)3D科學谷的市場觀察，零壹空間通過3D打印-增材制造技術開發(fā)了適用于內(nèi)嵌點火裝置的主動冷卻式針栓噴注器。通過設計有主噴注孔以及設于第一階臺內(nèi)的輔噴注通道，在噴注器本體上形成了兩個層次的噴注形式。鑒于主噴注孔和輔噴注通道的結(jié)構(gòu)形式不同，故其內(nèi)所分配的推進劑流量是不同，但其內(nèi)的推進劑皆沿噴注器本體徑向噴射，能夠與火焰噴射通道相配合，分別形成第一次燃燒和第二次燃燒，既有利于使總體燃燒更為充分，且在一定程度上抑制燃燒不穩(wěn)定性的發(fā)生。

深藍航天

2019年11月，中國的深藍航天液氧煤油發(fā)動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優(yōu)化設計，大量采用3D打印工藝，實現(xiàn)了國內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。

來源：深藍航天

據(jù)悉，發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件為金屬3D打印，發(fā)動機噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動機關鍵零部件，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道。

星際榮耀

北京時間2019年7月25日，北京星際榮耀空間科技有限公司（星際榮耀）公司的雙曲線一號遙一運載火箭（SQX-1 Y1）在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，按飛行時序?qū)⒍囝w衛(wèi)星及有效載荷精確送入預定300公里圓軌道，發(fā)射任務取得圓滿成功。這次發(fā)射雖不是中國民營商業(yè)火箭公司所開展的首次發(fā)射任務，卻是中國民營火箭公司首次成功的“入軌”發(fā)射。

星際榮耀所獲批的總裝結(jié)構(gòu)、火箭發(fā)動機、液體火箭專利CN209838557U

根據(jù)3D科學谷的市場研究，通過增材制造，星際榮耀實現(xiàn)了用于火箭發(fā)動機的總裝結(jié)構(gòu)的一體打印成型，機體內(nèi)部保護若干條流道，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，減少了總裝結(jié)構(gòu)上的零件數(shù)量，同時節(jié)省了管路組裝的步驟以及節(jié)省了管路購買的成本，實現(xiàn)了對總裝結(jié)構(gòu)組裝難度的降低以及成本的減少。

渦輪盤、液體火箭打洞機、液體火箭專利CN210105926U

與傳統(tǒng)的電火花等加工工藝相比，在兩級葉片的間距過小或同級葉片間的排列緊密時，傳統(tǒng)的工藝受操作空間以及加工精度等的影響，這種緊湊的渦輪盤難以加工。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，星際榮耀通過增材制造一體成型技術可十分方便的加工出上述緊湊型的渦輪盤，加工過程簡單，時間短。

根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場研究，星際榮耀致力于研發(fā)的發(fā)動機包括在低成本、可回收方面極具競爭力的液體發(fā)動機。除此之外，星際榮耀還在研發(fā)姿軌控動力系統(tǒng)，相關部件包括單組元推力室、雙組元推力器、切破式電爆閥。

其他

此外，中國航天空氣動力技術研究院在3D打印符合材料空間壓力容器方面，湖北三江航天在鎳基高溫合金噴注器方面，上海空間推進研究所在液體火箭發(fā)動機再生冷卻身部及其槽道結(jié)構(gòu)方面，西安航天發(fā)動機廠在高強度不銹鋼三元閉式葉輪的整體制造、航天發(fā)動機換熱構(gòu)件的制備以及多內(nèi)腔窄流道噴注器的成形方面，均獲得了一定的成果。

Review

金屬3D打印已經(jīng)成為航空和航空航天領域的一項關鍵技術，因為它的優(yōu)勢與該行業(yè)的關鍵需求保持一致，包括減輕重量、節(jié)省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

3D打印可以將原本通過多個構(gòu)件組合的零件進行一體化打印，這樣不僅實現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，避免了原始多個零件組合時存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。一體化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開了可行性空間。

此外，金屬3D打印可以讓打印部件達到傳統(tǒng)方式無法達到的薄壁、尖角、懸垂、圓柱等形狀的極限尺寸，讓產(chǎn)品設計師有了更大的發(fā)揮空間。在進行飛行器中的復雜零部件設計時，設計師由過去以考慮零部件的可制造性為主，轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾脑O計思維下的實現(xiàn)零部件功能性為主。

由此出發(fā)，3D打印開啟了下一代經(jīng)濟性的火箭發(fā)動機制造之路。3D打印對于火箭的制造是顛覆性的，這體現(xiàn)在從設計到供應鏈和庫存管理，再到質(zhì)量控制等各個環(huán)節(jié)。

值得重視的是這些航天零件的生產(chǎn)都不是單一的3D打印技術實現(xiàn)的，而需要跟其他傳統(tǒng)加工技術相結(jié)合，根據(jù)GF加工方案，混合型生產(chǎn)包括增材制造技術，以及相關的后續(xù)流程如銑削、電加工（EDM）、線切割（WEDM）、激光紋理加工等完成零件成品所需的全部工藝流程，集成這些技術協(xié)同工作。在這方面，GF與3D Systems于2018年8月宣布了戰(zhàn)略合作伙伴關系，通過把3D Systems在增材制造方面的創(chuàng)新經(jīng)驗和專業(yè)技術與GF加工方案在精密加工領域的領先地位相結(jié)合，使制造商能夠更有效地生產(chǎn)精密公差范圍內(nèi)的復雜金屬零部件，并降低運營總成本。

而想像從未有過的設計，成就從未存在過的產(chǎn)品，在這方面，安世亞太提出的正向設計完整解決方案，從以需求出發(fā)的架構(gòu)性和顛覆性創(chuàng)新為基礎，設計創(chuàng)新方法論及軟件支持在產(chǎn)品全研發(fā)周期完成創(chuàng)新閉環(huán)。

來源：3D科學谷