南極熊導讀：眾所周知，3D列印技術在航空航天領域的應用越來越火，這其中就包括諸如火箭等大型設備的開發與製造。那你知道全球有哪些火箭製造商採用了3D列印技術嗎？他們的製造水平又到了何種程度？要知道，大多數航空航天相關企業已開始進行相關研究，以實現全3D列印的火箭。南極熊在這裡就為大家匯總了國內外3D列印火箭發動機的案例，以供參考。
1、中國深藍航天
2021年7月，深藍航天「星雲-M」1號試驗火箭在陝西銅川深藍航天試驗基地完成了「星雲-M」1號試驗火箭首次垂直起飛和垂直降落（VTVL）的自由飛行試驗（又稱「蚱蜢跳」），首飛試驗任務圓滿成功。
執行本次飛行的「星雲-M」1號試驗箭配套了由深藍航天自主研製的「雷霆-5」型液體火箭發動機（簡稱：LT-5），是國內首型使用3D列印技術製造的針栓式電動泵液氧煤油發動機。「雷霆-5」型液體火箭發動機真空推力最大為50kN，發動機能夠實現50%-110%推力區間調節；同時，LT-5採用了電動泵調節推進劑流量，針栓式噴注器可自動維持不同工況下的穩定燃燒。目前正在研製中的新型發動機同樣選擇了經過驗證的3D列印技術和後處理工藝，新交付的發動機結構部件最大尺寸達到600mm×600mm×600mm。
2、馬斯克的SpaceX
2017年1月14日當地時間，SpaceX在加州范登堡空軍基地成功發射了一枚獵鷹9號火箭，其中採用了大量的3D列印零件，包括關鍵的氧化劑閥體，3D列印的閥體成功操作了高壓液態氧在高震動情況下的正常運行。與傳統鑄造件相比，3D列印閥體具有優異的強度、延展性和抗斷裂性。並且與典型鑄件周期以月來計算相比，3D列印閥體在兩天內就完成了。設計是個快速迭代的過程，這為SpaceX搶佔時間和快速優化設計提供了極佳的便利條件。
除了獵鷹9號火箭，SpaceX於2013年就成功通過EOS金屬3D印表機製造SuperDraco火箭發動機引擎室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統的發動機製造技術相比，使用增材製造不僅能夠顯著地縮短火箭發動機的交貨期和並降低製造成本，而相比傳統製造發動機的成本，而且可以實現「材料的高強度、延展性、抗斷裂性和低可變性等」優良屬性。這是一種非常複雜的發動機，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節流系統都很難製造。EOS能夠列印非常高強度的先進合金，是創造SuperDraco發動機的關鍵。
3、中國航天六院增材製造火箭發動機推力室隔板加強肋
2021年6月17日，長徵二號F遙十二運載火箭託舉著載有三名航天員的神舟十二號載人飛船衝向太空。作為我國唯一的大型液體火箭發動機研製生產廠，7103廠生產製造了該火箭所用芯一級發動機、二級發動機、助推器發動機，並採用3D列印技術製造相關零件，實現了發動機更可靠，效率速度雙提升。
7103廠增材製造創新中心主任楊歡慶介紹，發動機推力室隔板加強肋是其中之一。加強肋是發動機隔板夾層內流通道的關鍵構件，主要用於保證發動機的燃燒穩定性。該產品之前採用熔模精密鑄造工藝生產，有29個工藝流程，配套設備多且依賴性強，合格率不足20%。通過3D列印技術替代熔模精密鑄造工藝，加強肋的製造周期縮短了75%，合格率提升至98%，成本降低30%，且產品多項性能指標接近甚至超過傳統鑄件歷史最高值。
4、NASA 3D列印銅合金燃燒室高強耐氫合金噴管
NASA於2020年12月9日發布官方聲明，其3D列印銅合金燃燒室和高強度耐氫合金火箭發動機零件通過了23次點火測試。經過2020年11月的一系列點火試驗，NASA證實了兩個增材製造的發動機部件——銅合金燃燒室和由高強度耐氫合金製成的噴管，可以承受在飛行中傳統製造的金屬結構所經歷的相同極端燃燒環境。
NASA通過DED定向能量沉積增材製造工藝在GRCop-42銅腔室的後端沉積雙金屬材料，形成高強度鐵鎳超合金軸向接頭的火箭推力室噴管，並實現連續冷卻，從而解決了一些設計挑戰和螺栓連接設計的接口問題，隨後通過碳纖維聚合物基複合材料（PMC）外包裝將整個推力室總成（TCA）進行外包裝。
NASA製造火箭推力室的燃燒室所用的銅合金GRCop-42是一種高導電性、高導熱性、高強度的合金，有望用於腔室襯裡，這帶來高效的壁冷卻以將腔室熱壁保持在高強度溫度區域中。NASA開發了生產封閉壁銅合金襯裡的能力，使複合材料成為腔室護套作為可行且理想的選擇。
5、印度SkyrootAerospace公司全3D列印低溫火箭發動機
2020年9月28日，在印度著名火箭科學家Satish Dhawan博士誕辰100周年之際，Skyroot Aerospace公司推出了第一臺帶100％3D列印噴油器的火箭發動機——Dhawan-1，並配置在其Vikram I運載火箭上進行了成功測試。
據悉，Skyroot成立於2018年，其團隊由之前曾在印度空間研究組織(ISRO)工作過的火箭工程師組成。Skyroot目前專注於開發其首款Vikram I運載火箭，3D列印也是整體火箭製造技術的關鍵部分，該公司稱通過3D列印技術可將發動機質量降低50%，並減少其構造所需的零部件，且將其生產的交貨時間縮短了80%。
Skyroot下一步將對正在研發的火箭的兩個完整階段進行試射，該公司還同時在開發下一代運載火箭Vikram-2和Vikram-3，這些運載火箭將在2022年至2023年之間的某個時間點問世，並與現有的更大的拼車式火箭具有成本競爭力。
△Skyroot全系列發動機
與傳統製造相比，該引擎能夠多次重啟，使他們能夠在一次任務中將各種衛星插入多個軌道。關於通過3D列印技術製造3D列印注射器，除金屬外，Skyroot還在3D列印過程中使用特殊材料，Skyroot期待將3D列印應用到Vikram-2火箭中。
6、Pangea Aerospace 和 Aenium開發重複使用3D列印火箭發動機Aerospike
南極熊獲悉，Pangea Aerospace是一家開發更高效火箭發動機的創新公司，Aenium Additive Systems是一家專門從事增材製造技術和複雜材料科學的工程公司，已就先進燃燒室的開發和工業化建立了工業合作夥伴關係，例如 Aerospike 火箭發動機，專注於先進的 3D 列印工藝和材料。
兩家公司正式籤署協議，意在突破設計複雜燃燒室，並對不同類型的先進高溫合金進行分析，用於航天領域最苛刻的應用。
Pangea 已將其新型 Aerospike 演示器的研發、製造和工業化分配給新組建的團隊，有望在 2021 年底之前進行熱火測試。Pangea 是致力於開發可重複使用的發射系統，位於歐洲。此外，該合作將為歐盟市場帶來第一個 GRCop 42 工業化方案，使其他航天公司能夠通過增材製造獲得最先進的火箭推進技術。
Pangea Aerospace 執行長 Adrià Argemi 表示，「Aenium 是快速推進計劃的完美合作夥伴，我們很高興與像他們這種尖端增材製造初創公司合作。與 Aenium 的合作不限於在歐洲共享 GRCop42 的能力，GRCop42 是一種專為火箭發動機開發的銅材料。Aenium 還在工藝和材料方面帶來了無與倫比的專業知識和研發能力。GRCop42 基合金是關鍵解決方案之一，它使我們能夠解決氣釘噴嘴火箭發動機的熱挑戰。我們現在準備為所有歐洲航空航天部門敞開懷抱。」
GRCop-42 是一種高導電性、高強度合金，用於高熱通量應用，例如液體火箭發動機和其他燃燒裝置。這種由 NASA 開發的銅鉻鈮合金專為具有良好抗氧化性的再生冷卻燃燒室和噴嘴所特有的惡劣環境而開發。
利用 Aerospike、GRCop42 和3D列印技術，Pangea Aerospace 正在先進位造為火箭發動機開發備受追捧的 Aerospike 噴嘴。由於更高的效率（比目前使用的火箭發動機高 15%）、可重複使用的能力以及極低的成本和快速的製造能力，Aerospike 發動機可以從根本上改變太空發射。該公司目前正在製造 DemoP1，並將在 2021 年第三季度進行一場發布會活動。
DemoP1 是一種液氧和甲烷氣釘發動機演示器，旨在表徵和驗證未來氣釘發展的幾項關鍵使能技術：使用甲烷作為燃料，一種雙再生冷卻系統：利用兩種推進劑冷卻它 、可重複使用的設計。
在此之前已經開發或概念化了幾種 Aerospike 發動機（J-2T、XRS-2200 和 RS-2200），但從未真正飛行過。因為受制於 Aerospike 噴嘴相關的工程困難：冷卻和製造。增材製造 (AM) 技術和 GrCop42 等新材料增強了以極少的成本和時間構建功能性和經濟上可行的 Aerospike 發動機的可能性。
Pangea Aerospace 和 Aenium 的合作讓這個新型發動機的實現更近了。Pangea Aerospace 已經開始了更大的、可商用的 Aerospike 發動機及子系統的初步設計。Aenium 帶來了在材料科學和增材製造工藝方面的專業知識，而 Pangea Aerospace 則帶來了在推進系統設計方面的專業知識。
7、貝索斯藍色起源BE-4火箭發動機
Blue Origin公司是由亞馬遜CEO傑夫-貝索斯（Jeff Bezos）一手創辦的，與高調的SpaceX不同的是，該公司一直在秘密地開發其BE-4火箭發動機。2016年初，Blue Origin成為首枚連續兩次成功發射和著陸的垂直起降的商用火箭，從而在回收利用火箭方面再次勝出SpaceX公司。
具體來說，Blue Origin採用3D列印技術來列印BE-4火箭發動機的殼體、渦輪、噴嘴、轉子。BE-4是以液化天然氣為燃料的新一代火箭發動機。
傑夫·貝索斯表示，BE-4除了主泵提供的推力，還通過幾個「升壓」渦輪泵，混合液態氧和天然氣從而提供500000磅的推力，3D列印在發動機的生產中發揮了關鍵作用。此外，Blue Origin新一代火箭發動機BE-4核心零部件OBP增壓泵的第二次迭代正在進行測試，並且以及完成單元組件，將進行 BE-4發動機試驗安裝。BE-4繼續亞軌道飛行試驗計劃，BE-4有望結束美國對俄制RD-180發動機的依賴。
8、歐洲航天局3D列印火箭發動機燃燒室
2019年2月18日，歐洲航天局（ESA）測試了帶3D列印燃燒室的BERTA火箭發動機，其參考升力為2.45 kN（550.78 lbf）。BERTA被視為3D列印用於更大的發動機的ETID（Expander-cycle Technology IntegratedDemonstrator-ETID為擴展循環技術集成演示器）。
△BERTA燃燒室演示器點火測試 來源：ESA
ETID是下一代10噸火箭發動機的先驅技術載體，其中一些技術也可用於升級現有的Vinci發動機，Vinci發動機為阿麗亞娜6提供動力。通過首次測試被ESA視為增材製造火箭發動機零件的重要一步。用於下一代運載火箭的100噸級火箭發動機Prometheus（普羅米修斯）也將受益於BERTA的測試過程中，並獲得技術傳承，例如增材製造複雜零件以及實現低成本燃燒室的製造技術。
該燃燒室由Ariane集團開發，作為ESA未來發射器預備計劃（FLPP）項目的一部分，由Ariane集團開發的BERTA發動機設計用於「可儲存的推進劑」，這意味著燃料可以在室溫下儲存。這種類型的發動機可以點燃幾次並且非常可靠。它們可用於地球軌道以外的任務，並持續數月。增材製造發揮的作用是製造複雜設計的冷卻通道。傳統的製造方法無法一體化的製造如此複雜的通道，通過3D列印冷卻腔室帶有複雜冷卻通道的壁。使得發動機的性能獲得提升。BERTA發動機採用的是選擇性雷射熔化（SLM）金屬3D列印技術，鎳基合金材料用於製造注射頭部分，不鏽鋼材料用於製造燃燒室部分。
9、英國航空航天公司3D印表機快速成型火箭發動機
2021年3月，英國航空航天公司Orbex與AMCM合作，宣稱要建立歐洲最大的工業3D印表機，以實現快速列印火箭發動機。
△Orbex生產的Stage 2 Prime火箭
Orbex計劃在其位於蘇格蘭高地Sutherland的A'Mhoine半島的太空港發射Prime運載火箭，該運載火箭已於2020年8月獲得計劃許可。A'Mhoine基地將於今年開始動工，目前是英國唯一獲得規劃許可的太空港，並將於2022年開始首次軌道發射。
△工程原型中的3D列印火箭發動機
幾個月來，Orbex與AMCM進行了一系列試驗，以列印一系列大型火箭部件，因為它希望擴大其發射的生產能力。AMCM將在Orbex的工廠定製建造並安裝兩家公司聲稱是歐洲最大的工業3D印表機，該工廠將擴大1000平方米，以容納這些機器。數百萬英鎊的3D列印系統將包括後處理機器和「機器視覺」系統，這些系統將對列印的火箭組件進行基於影像的自動檢查。
為了消除將零件連接和焊接在一起可能引起的弱點，Orbex的火箭發動機零件將被單件列印。這些組件將使用包括鈦和鋁在內的定製金屬混合物進行列印，以確保系統輕巧耐用，足以承受太空梭的極端溫度和壓力。Orbex估計，新的列印系統每年將提供超過35臺火箭發動機和渦輪泵系統，並且作為第一個從新的A'Mhoine太空樞紐發射的系統，它可能會成為第一個成功將商用火箭從英國發射到軌道的系統。
10、澳大利亞SPEE3D低成本金屬 3D 列印火箭發動機
2021年7月12日，澳大利亞冷噴塗 3D 印表機製造商SPEE3D宣布計劃通過低成本金屬 3D 列印火箭發動機「徹底改變」航天領域。SPEE3D 將尋求使用其冷噴塗技術，為澳大利亞新興的工業航天工業製造高質量、廉價的金屬 3D 列印火箭發動機。
據報導，SPEE3D 獲得專利的冷噴塗增材製造技術，能夠比傳統的金屬 3D 列印方法快 100 到1,000 倍的速度列印金屬零件。據推測，該技術也是唯一能夠以比傳統製造更具競爭力的成本按需列印金屬零件的工藝之一。冷噴塗不依賴於雷射或其他基於熱的能源，而是利用動能通過高速壓縮氣流將金屬粉末噴塗到基材上。這為材料提供了足夠的能量來變形並粘合到下面的固體部分，形成額外的層。
該公司的 WarpSPEE3D 3D 印表機在短短三個小時內以不到 1,000 美元的成本生產了一個 17.9 公斤的銅火箭噴嘴內襯。現在，在政府對其 SPAC3D 項目的支持下，SPEE3D 將尋求將其技術應用於製造高質量的金屬 3D 列印火箭發動機，與傳統生產的發動機相比，這些發動機仍然便宜。WarpSPEE3D能夠在極端條件下運輸和卸載，並且可以在 30 分鐘內運行，發現能夠以每分鐘 100 克的速度列印重量高達 40 公斤的大型金屬零件。
△SPEE3D3D 在短短三個小時內列印出銅製火箭噴嘴內襯
11、Rocket Lab
2015年，總部位於加利福尼亞的航空航天公司Rocket Lab宣布開發出世界上第一枚電池動力火箭，而且發動機幾乎完全是3D列印的。這套低成本的發射系統以Electron的形式出現，盧瑟福發動機可以在24小時內3D列印出來。發動機的主要推進閥、噴油器、泵和發動機室都是通過電子束熔化3D列印出來的，發動機本身也是首創，它使用電動馬達代替氣體，創造出更輕巧、高效的機器。這家初創公司將3D列印用於火箭的主要部件，目前已經發射了第16次任務。此外，Rocket Lab於今年推出了其下一代可重複使用的3D 列印火箭 Neutron。
不難看出，全球各地火箭發動機製造商在太空競賽中面臨著激烈的競爭，我國3D列印火箭發動機同樣有著出色表現，這也表明3D列印在火箭發動機製造方面有著極大的應用潛力。星辰大海是徵途，坎坷艱辛唯不悔，我們也相信中國航天未來可以在火箭發動機製造領域站穩腳跟、發光出彩。
12、Launcher金屬3D列印火箭發動機
自2017年成立以來，Launcher不斷利用3D列印技術來升級火箭發動機的性能。他們的目標是創造高效、最佳成本的火箭，能夠將小型衛星送入太空。
在2019年獲得太空部隊150萬美元的合同後，Launcher開始著手為E-2發動機開發3D列印部件，生產了一個火箭燃燒室，據說是同類產品中最大的部件，高860毫米，具有410毫米出口噴嘴。燃燒室是使用EOS子公司AMCM提供的M 4K 3D印表機一體製造的。
△發射器的AMCM-3D列印燃燒室，照片來自AMCM
發射器的E-2發動機是用高性能銅合金3D列印的，需要更少的推進劑就能進入軌道，因此允許在每枚火箭上運送更多的衛星，而且擁有比競爭對手更低的價格。
2021年5月，Launcher公司與3D印表機製造商VELO3D和仿真軟體公司Ansys合作，優化E-2火箭發動機中另一個性能關鍵部件的設計：一個傳統的液氧（LOX）渦輪泵。在美國宇航局斯坦尼斯航天中心進行了發動機測試後，渦輪泵將在發射前被集成到 "輕型發射器 "火箭中。
13、Relativity Space全金屬3D列印火箭
Relativity Space是第一家成功做到完全3D列印火箭的公司，使製造成本大幅度降低。與SpaceX的獵鷹9號相比，Terran 1報價成本是它的五分之一不到。如今，Terran R被設計為可重複使用，將會使成本進一步降低。
△Relativity 3D印表機製造火箭燃料箱
但是，Relativity的野心不僅僅在降低成本之上，TerranR的綜合能力足以能夠與獵鷹9號正面交鋒。僅從助推器配置比較：獵鷹9號配備了9個Merlin發動機，每個發動機的推力約為190,000磅（約86.2噸）；而Relativity的Terran R 配備 7 個Aeon R發動機，每個發動機的推力為302,000磅（約137噸），幾乎不相上下。如果Terran系列發射成功，那麼結合製造成本，Relativity的優勢會更加明顯。
△Relativity最近擴大了生產能力，包括在NASA的斯坦尼斯航天中心建立了一個火箭工廠，圖片來自Relativity Space
Relativity Space執行長兼聯合創始人Tim Ellis表示公司從五年前就計劃3D列印Terran 1和Terran R。同第一款火箭Terran 1一樣，公司的第二款產品Terran R將繼續利用 3D列印方法減少零件數量、提高創新速度、靈活性和可靠性，將下一代運載火箭推向市場。Relativity將繼續致力於3D列印整個火箭並在火星上建立人類的工業基地。
△Aeon發動機
2020年，Relativity Space進行地面點火試運行測試的火箭發動機型號為Aeon 1，採用甲烷和液氧作為動力，單個發動機最大推力23000磅（10.43噸）。
目前一臺Aeon 1有三個大的部件，總共100多個零件，平均製造周期只有一個月。
傳統火箭一般都有幾千個零部件，生產周期至少需要六個月左右，這其中大部分時間要花在供應鏈訂購不同產品上。
相比之下，Relativity Space的3D列印工廠將傳統的供應鏈縮短為一站式製造方式。
△3D列印的Relativity Space Aeon發動機點火
「印表機」本身，是Relativity Space自己開發的Stargate3D印表機。
不難看出，全球各地火箭發動機製造商在太空競賽中面臨著激烈的競爭，我國3D列印火箭發動機同樣有著出色表現，這也表明3D列印在火箭發動機製造方面有著極大的應用潛力。星辰大海是徵途，坎坷艱辛唯不悔，我們也相信中國航天未來可以在火箭發動機製造領域站穩腳跟、發光出彩。
南極熊15個3D列印欄目
1） 3D列印專業院校庫 ；
2）全球3D列印產品庫；
3）全國3D列印人才招聘；
4）上百款3D列印鞋匯總；
5）生物醫療3D列印；
6）航空航天軍工能源3D列印；
7）汽車船舶交通3D列印；
8）3D列印技術前沿；
9）3D列印軟體算法；
10）3D列印行業數據報告；
11）3D列印公司投融資；
12）3D列印產業政策；
13）建築3D列印；
14）3D列印展會、會議活動預告；
15）全球3D列印新品匯總