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列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。在國際範圍內，SpaceX已開始執行NASA商業載人航天任務，從龍飛船發動機到太空人頭盔，3D列印同樣發揮了重要作用。本期，我們列舉中美兩國航空航天企業對3D列印技術的應用進展。
美國航空航天企業3D列印技術應用進展
美國航空航天業採用3D列印技術的案例多集中在民營航空領域，像Relativity Space、Rocketlab、Launcher公開宣稱採用3D列印來製造火箭，SpaceX也不乏3D列印技術的應用。
Relativity Space是第一家進行3D列印整個火箭的公司，該公司上月宣布完成了5億美元D輪融資。其利用3D列印技術將運載火箭的零件數量從10萬個降低到1000個以下，零件數僅為原來的1%，不僅提高了火箭發動機的效率，而且通過零件的重新設計或結構改造，有效降低了火箭發動機重量，可謂兩全其美。
Relativity Space 3D列印的Aeon1發動機，約由100個零件組成
Relativity Space 世界最大的金屬3D印表機，一隻手臂進行熔絲增材製造，另兩隻用來進行減材加工
Launcher開發的E-2火箭發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列印液體火箭發動機燃燒室，它沒有任何組裝零件，內部集成了複雜的冷卻通道，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列印的一體式銅合金火箭發動機燃燒室，高度達86cm、直徑40cm
Launcher 3D列印的一體式銅合金火箭發動機燃燒室
2016年，Rocket Lab 開發出世界首臺採用電動泵輸送推進劑的液體發動機——「盧瑟福」，其75％以上的部件採用3D列印製造，可3天完成生產。截至2019年7月，Rocket Lab取得了裡程碑式的進展，成功完成了第100臺3D列印火箭發動機的製造，其中70臺已經投入太空使用。11月，該公司還成功回收了一級火箭。
Rocket Lab 火箭上的9臺發動機均為3D列印製造
SpaceX在3D列印的使用方面公開報導的案例實際上並不如其他公司，Relativity的創始人也表示前者並沒有充分利用3D列印技術，但馬斯克從不諱言對這項技術的青睞。
中國航空航天企業3D列印技術應用進展
和美國動輒列印整枚火箭發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都沒有像美國企業那樣激進，極少看到大規模整合零件數量、大幅降低發射成本的報導。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月發射的新一代載人飛船試驗船返回艙防熱大底框架採用雷射沉積3D列印製造，同時實驗船還搭載了立方星3D列印新型部署器以及其他60餘件金屬3D列印產品，同期更是完成了多種3D列印技術的太空在軌驗證；7月，「天問一號」發射成功，與新一代載人飛船實驗船一樣，它們都由長徵五號發射。航天科技一院長徵五號運載火箭總設計師李東曾經介紹稱3D列印將為今後火箭的主承力部段輕量化結構設計與製造提供強有力的技術支撐。2019年，一院211廠完成首批長徵五號系列運載火箭芯級捆綁支座的批生產，該部件是我國首個採用全3D列印的米級關鍵承力構件，重量比原來的高強鋼設計減少30%；七月發射的長徵五號級間解鎖裝置保護板採用華曙高科連續增材製造系統（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。
採用雷射沉積3D列印製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的世界首例衛星主體輕量化點陣結構也是採用金屬3D列印技術製備，採用點陣網格優化設計成功實現了減重目標。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。
世界首例衛星主體輕量化點陣結構也採用金屬3D列印技術製備
中國民營航空企業的發展目前正處於追趕階段，包括零壹空間、深藍航天和星際榮耀、藍箭航天在內的企業在3D列印技術的應用方面也進行了積極嘗試。
2020年農曆春節前夕，北京深藍航天自主研製的「雷霆-5」（LT-5）液體火箭發動機進行了首次整機變推力長程試車，試驗取得圓滿成功。整機研製自2019年4月方案設計到2019年8月各零部組件投產，再到2020年1月整機試車，共歷時9個月，刷新了液體火箭發動機研製的「中國速度」。在產品製造方面，深藍航天大量採用3D列印工藝，推力室主體結構全部採用3D列印製造。通過採用3D列印、電動驅控等新工藝新技術，顯著提高了產品的可靠性和測試維護性以及研製的迭代速度，將主要零部件的生產周期減少到一個月內，從零部件到整機的裝配時間則減少到3小時以內。
深藍航天3D列印的發動機推力室
星際榮耀致力於研發在成本、可回收方面極具競爭力的液體發動機。目前已實現火箭發動機總裝結構的一體列印成型，總裝結構以內部成型流道的方式替代傳統的管路件，減少了零件數量，降低了組裝難度並減少了製造成本。與此同時，星際榮耀還通過3D列印一體成型了緊湊型渦輪盤，極大降低了加工難度並縮短了加工周期。2019年上半年，星際榮耀完成了15噸級液氧甲烷火箭發動機焦點1號（JD-1）的渦輪泵與副系統聯合試驗。據公開信息顯示，焦點1號發動機渦輪泵75%的零組件採用3D列印工藝，燃氣發生器採用全3D列印工藝，零件數量減少60%。7月，該公司取得中國民營火箭公司的首次成功「入軌」發射。
星際榮耀運載火箭
2018年5月17日，零壹空間自主研發的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」，開創了中國商業航天歷史上的嶄新起點。根據公開報導，零壹空間通過3D列印技術開發了適用於內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定性的發生。
零壹空間火箭試車
2019年11月30日，藍箭航天「天鵲」10噸級液氧甲烷發動機（TQ-11）全系統熱試車成功；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、製造和試驗驗證難題，圓滿完成了火箭一級液氧輸送管路低溫振動試驗。TQ-11系國內現有唯一多噴管液氧甲烷火箭發動機，是朱雀二號液體運載火箭的二級遊動發動機。據藍箭航天介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發動機在製造過程中均廣泛採用3D列印技術，其中燃燒室身部都採用3D列印一體成型，降低了研發成本和製造周期，而且更容易量產。
TQ-11成為國內目前唯一試車時間破萬的液氧甲烷發動機
END
3D列印技術已經成為航空航天領域的一項關鍵技術，它的製造特點與該行業所一直追求的減輕重量、節省燃料、縮短製造時間、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雖不如國外企業那般激進，但也進行了積極探索，仍然展示了3D列印等先進位造技術在實現快速迭代、降低研發成本、提升火箭關鍵部件性能等方面的優勢。未來，我們期待更多航空航天3D列印技術的應用獲得公開報導，例如探月工程和火星探測任務等等。
內容來源： 3D列印技術參考
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