一文洞悉商業(yè)航天火箭領(lǐng)域的3D打印進展

魔猴君  行業(yè)資訊   1644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(wù)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(guān)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(shù)。正如《3D打印與工業(yè)制造》一書中談到的，3D打印技術(shù)已成為航天制造機構(gòu)搶灘下一代經(jīng)濟性、可重復(fù)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(shù)。

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(lǐng)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(shù)催生設(shè)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(shè)計到供應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)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(shù)時，冷卻管道將直接作為設(shè)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(xué)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(xué)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(shù)的應(yīng)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(fù)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(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)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(xué)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(fù)雜，因為需要從推進劑泵流出的少量推進劑來供應(yīng)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(shù)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(fù)雜性。

3D打印-增材制造技術(shù)允許形成復(fù)雜的幾何形狀，而使用傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)或鑄造/注射成型技術(shù)很難或不可能實現(xiàn)。3D打印技術(shù)的這種靈活性在火箭發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)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(xué)谷的市場觀察，零壹空間通過3D打印-增材制造技術(shù)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(shè)計有主噴注孔以及設(shè)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(shè)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(shù)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(guān)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(yù)定300公里圓軌道，發(fā)射任務(wù)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(wù)，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(xué)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(shù)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(guān)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(shù)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(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，因為它的優(yōu)勢與該行業(yè)的關(guān)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(shè)計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)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(shè)計師有了更大的發(fā)揮空間。在進行飛行器中的復(fù)雜零部件設(shè)計時，設(shè)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(shè)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(shè)計到供應(yīng)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(shù)實現(xiàn)的，而需要跟其他傳統(tǒng)加工技術(shù)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(shù)，以及相關(guān)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(shù)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(guān)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(shù)與GF加工方案在精密加工領(lǐng)域的領(lǐng)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(fù)雜金屬零部件，并降低運營總成本。

而想像從未有過的設(shè)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(shè)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(chǔ)，設(shè)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(xué)谷