商业航天领域都在3D打印火箭零部件

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3D 打印技术能够快速生产出复杂形状的零件，减少了传统制造方法中繁琐的工艺和漫长的加工周期。例如，火箭发动机等一些复杂的零部件，都可以通过 3D 打印精确制造，提高了零部件的性能和可靠性。与此同时，3D 打印还可以实现轻量化设计，通过优化设计和材料选择，能够制造出更轻但强度足够的零部件，这对于航天器减轻重量、降低发射成本具有重要意义。

蓬勃发展的商业航天事业

●2024年6月9日，中国商业航天创业公司东方空间成立四周年，四年间东方空间已完成了5轮融资，累计融资17亿元。今年1月11日，东方空间的引力一号火箭首飞成功，刷新了全球固体运载火箭的纪录，将我国固体火箭运载能力再提升3倍，标志着我国商业航天自主创新的重大突破，为中型运载火箭便捷高效发射的实现，提供了高性价比的解决方案。


△东方空间“引力”系列火箭

● 6月11日，天兵科技宣布完成超15亿元C+轮新增融资。本轮资金将主要用于天龙三号大型液体运载火箭的首飞与批量化生产，天龙三号可回收状态产品研制，以及天龙二号中型液体火箭的批量化生产。作为商业航天领航企业，天兵科技自成立五年来，已完成了15轮融资，累计获得资金支持超40亿元。在众多知名投资机构的持续助力下，天兵科技在火箭研制、发射服务及技术创新等方面取得了显著成果。2023年4月2日，天兵科技的天龙二号中型液体运载火箭在酒泉卫星发射中心成功首飞，成为二十多年来全球第一家首飞即成的民营企业，天龙二号的首飞成功标志着中国商业航天液体火箭开启新纪元。


△天兵科技天龙三号大型运载火箭

●4月15日，蓝箭航天朱雀三号可复用火箭垂直起降回收试验箭（以下简称“试验箭”）顺利完成“十公里级飞行”改造和总装工作，将全面转入最后的总测和出厂阶段。这是继1月19日圆满完成百米级垂直起降飞行试验后，朱雀三号可复用火箭准备迎战的又一个新里程碑节点。


△蓝箭航天朱雀三号可复用火箭

● 5月29日16时12分，在太原卫星发射中心海上发射团队的组织指挥下，星河动力航天公司于山东附近海域圆满完成谷神星一号海射型（遥二）发射任务，搭载发射的“天启星座”25星至28星共4颗卫星顺利送入850km的近地轨道。


△星河动力谷神星一号海射型火箭发射

根据《中国航天科技活动蓝皮书（2023年）》的数据，2023年我国共完成26次商业发射，成功25次，发射成功率达96%；共研制发射120颗商业卫星，占全年研制发射卫星数量的54%。据悉，目前国内已有9型商业运载火箭可提供发射服务，商业航天已形成稳定的服务能力。

提到商业航天就不得不提起美国的 SpaceX，作为商业航天的领路人，2023年共发射98次火箭，除去2次实验性质的发射，旗下“猎鹰9号”和“重型猎鹰”可复用运载火箭96次发射全部成功，全球占比43%；发射质量达1195吨，全球占比80%；发射的卫星数量为2514颗（其中“星链”占1948颗），全球占比87%。

3D打印成为商业航天的制造利器

此前，有商业航天公司也透露过，他们使用3D打印技术制造火箭的零部件，本文我们搜集整理一下，当前市面上的商业航天公司是如何使用3D打印技术来制造火箭零部件的。

星河动力3D打印液氧煤油发动机部件

星河动力研发了国内首台50吨级变推力，重复使用开式循环液氧/煤油发动机。“苍穹”液氧/煤油发动机作为“智神星”液体运载火箭第一级（7台）和第二级（1台）主动力装置，是多次启动变推力燃气发生器循环液体火箭发动机。每台发动机海平面额定推力40吨，最大工况海平面推力50吨（第一级具备1台“Engine-out”能力），最小工况海平面推力10吨（变推比4:1），变推力工作时满足助推级垂直下降和软着陆回收要求，发动机具备多次重复使用和故障检测与隔离能力。每台发动机重复使用次数50次，具备±6°摇摆能力，发动机推重比大于120。



2019年7月，飞而康科技与星河动力公司建立了联系，并在9月正式承接了此项目，各大小零件总计30多件。该批零件在设计制造的过程中，使用了华曙高科金属3D打印解决方案，历时4个月顺利完成所有零件的交付。期间，飞而康团队在华曙高科开源金属3D打印设备上开发了针对火箭发动机部件的激光束焊接，叶轮、转轴的五轴加工工艺，动平衡实验，阳极氧化处理，以及气压液压测试多套专属定制试验工装。此次与星河动力公司的合作是在火箭发动机部件增材制造发展上的一个大胆突破。


△飞而康金属增材制造超级工厂





涡轮泵的泵轮与蜗壳在设计之初，分别进行了简单型面的机加方案与复杂型面的3D打印方案设计，后者较前者效率提高约5%。另外，涡轮盘也同样采取了机加成形与3D打印成形两种方案，机加成形需要20～25天，3D打印仅需要3～4天，缩短80%制造周期，降低了生产成本。

深蓝航天全3D打印液氧煤油发动机

深蓝航天液氧煤油可重复使用发动机“雷霆-R1”继承了雷霆-5发动机的3D打印技术和工艺。雷霆-5发动机全机85%重量的零件都由3D打印技术制作，是国内首型使用3D打印技术制造的针栓式液氧煤油发动机，并成功装配于“星云-M”试验箭，连续成功进行了十米级、百米级、公里级VTVL试验，积累了宝贵的经验。

相比之下，规模更大、性能更强的雷霆-R1发动机也采用了雷霆-5发动机的成功技术基础，主要零件都由3D打印机完成。



3D打印技术可以显著缩短发动机制造流程，降低成本。例如采用传统工艺条件下由数百个零件组成的液体发动机推力室，在采用3D打印技术后可以将零件数量减少到2个，在实际工况中出现故障的概率得以降低。此外，传统发动机制造技术的市场供应受限，而3D打印技术正在迅速蓬勃发展，市场化供应商来源更加广泛；深蓝航天依托市场化环境，在竞争中有更加显著的优势。

蓝箭航天3D打印液氧甲烷发动机零件

2024年1月19日，蓝箭航天自主研发的朱雀三号VTVL-1可重复使用垂直起降回收验证火箭首次大型垂直起降飞行试验任务取得圆满成功！该任务验证了蓝箭航天可重复使用液氧甲烷火箭一子级垂直回收总体方案的正确性，大范围变推力液氧甲烷动力系统方案的正确性，火箭控制系统与发动机调推特性的匹配性，火箭着陆段制导与控制方案的正确性，火箭软着陆缓冲机构工作性能，以及可重复使用火箭测发、回收和后处理流程的正确性，成功获取了朱雀三号可重复使用液氧甲烷火箭关键技术的核心试验数据。铂力特为此次飞行任务提供全方位的金属增材制造技术支持。

铂力特与蓝箭航天的合作开始于2019年，铂力特已助力蓝箭航天朱雀三号可重复使用火箭首次大型垂直起降飞行试验任务、朱雀二号遥二和遥三运载火箭发射任务等取得成功。蓝箭航天研制的液氧甲烷发动机已经完成技术攻关和工程化研制阶段，进入批量生产阶段，对产品的性能、周期、成本等方面要求较高。铂力特利用金属3D打印技术帮助蓝箭研制并批产了多型零部件。

以点火弯管为例，该零件尺寸为140mm×187mm×140mm，为管路类薄壁零件，且具有异形结构，以往的经验中生产难度大，材料利用率低。铂力特产品团队考虑到零件易变形的特点，开发了定制化的工艺方案，选用了高温合金材料，利用BLT-S400设备实现该零件的批量生产。满版可成形10件，打印时间约65小时。在保证产品质量精度的同时实现了零件的快速制造，帮助客户节约生产成本，加快技术迭代，提高研制效率。


△弯管接头示意图

铂力特参与的商业航天典型应用场景包括：可重复使用液氧甲烷火箭、固体运载火箭、液体运载火箭，立方星部署器、实验卫星、商业通信卫星等；其中多个商业航天项目已进入批量生产阶段。

天兵科技超大尺寸推力室不锈钢3D打印

2024年1月，商业航天企业天兵科技为大型液体运载火箭天龙三号配套研制的110吨推力液氧煤油火箭发动机“天火十二“（简称TH-12）圆满完成首飞批次校准热试车。

天兵科技百吨级天火十二（TH-12）火箭发动机在国内首次采用冷气多次起动技术，自燃点火技术，燃烧不稳定抑制技术，超大尺寸推力室不锈钢3D打印制造技术，涡轮盘热力组件3D打印技术等四十余项关键创新技术，目前已通过多次试验得到充分验证。



天兵科技创始人兼董事长康永来在一次采访中表示：天龙二号是中国首款采用3D打印液体火箭发动机的运载火箭，发动机有接近90%部件都是3D打印的。按照以往的流程和制作工艺，发动机采用的材料多，设计结构复杂，工艺流程长，生产耗时长，采用3D打印技术之后，发动机制造周期缩短了70%-80%，成本降低至原来的一半左右。

天兵科技刚开始决定做3D打印方案的时候，市面上没有能3D打印相关部件的公司，如何提高供应端3D打印工艺的稳定性，3D打印产品出来后，如何进行处理，将3D打印的材料性能做进一步的提升，背后都需要大量的工作。天兵科技跟供应商一起研究，最终实现了3D打印的方案，这项技术攻关，将中国3D打印技术向前推进了一大步。

“我们某种意义上推动了3D打印这个产业，把中国3D打印技术全面推向高端装备制造业。”康永来说。

东方空间3D打印主捆绑相关零件

东方空间自主研制的引力一号（遥一）海澜之家号运载火箭搭载云遥一号18星-20星共3颗卫星顺利进入预定轨道，飞行试验任务获得圆满成功。

“引力一号”运载火箭首飞即采用难度较高的海上发射，创造了全球最大固体运载火箭、中国运力最大民商运载火箭、中国首型捆绑式民商运载火箭等多项纪录，标志着我国商业运载火箭自主创新取得重大进展，扩充了我国中低轨卫星多样化、规模化发射能力，进一步丰富了我国运载火箭型谱，助力我国卫星星座组网大规模建设。

铂力特参与了“引力一号”的研制工作，为客户打印了主捆绑相关零件。这些零件尺寸大，且均为易变形的异形结构零件。利用传统加工方式难度大，周期长，材料利用率低。而利用LSF技术可以实现大型结构件的快速制造。

铂力特的LSF技术实现了大尺寸异形结构件的近净成形，降低了零件生产周期和成本，缩短研制周期，大大提升材料的利用率，降低了制造成本。经检验，TC11钛合金零件室温拉伸力学性能可靠，抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥885MPa，满足技术要求，保证了产品的质量。并且在固化工艺后，成本及周期满足批量生产需求。铂力特利用多台设备同时打印的方式为客户批量生产了主捆绑相关产品共计30余件。成形零件的质量性能一致性高，满足航天领域严苛使用需求，帮助火箭成功发射升空。

END

因为很多内容涉及商业保密，因此企业无法公开更详细的3D打印制造过程。尽管存在挑战，但不可否认的是，3D 打印技术在商业航天领域的应用正不断拓展和深入。随着技术的不断进步和完善，它将为商业航天带来更多的创新和发展，为人类探索宇宙提供更有力的支持。

来源：南极熊3D打印

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