3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路

北京时间5 月 31 日，SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心39A发射台成功发射，在全球观众的注视下，载着两名宇航员前往国际空间站。执行此次飞行任务的是两名资深宇航员鲍勃·本肯 (Bob Behnken)、道格·赫尔利 (Doug Hurley）。

而值得业界关注的是，猎鹰9号火箭和龙飞船2号大量使用了3D打印技术。正如《3D打印与工业制造》一书中谈到的，3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码”。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。

这使得人们不仅好奇，3D打印在催生商业航天创业领域发挥了怎样的四两拨千斤的作用？国内外目前的进展怎样？

3D打印新技术催生设计与制造一体化的商业新生代

摩根士丹利（Morgan Stanley）估计，到 2040年，全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。

3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

l 国际

Relativity Space

Launcher

初创的航天企业Launcher 与合作伙伴3T、EOS 也开发了3D打印铜合金火箭发动机部件，3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量，缩短开发时间，并且更加易于制造复杂功能集成的部件。

Launcher开发的铜合金3D打印推力室

发动机点火测试

Launcher 开发的3D打印铜合金（Cucrzr）发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

NASA video-2视频：Launcher开发的铜合金3D打印推力室

Rocket Lab

根据3D科学谷的市场研究，近日，Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日），详细的披露了Rocket Lab通过增材制造工艺来制造火箭推力室、用于火箭发动机的喷射器和涡轮泵。

Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

Rocket lab的专利确定使用增材制造技术用于涡轮泵组件生产可以极大地简化这种系统的组装，通过选区金属熔化工艺来制造各种部件将大大降低这种系统的组装复杂性。

3D打印-增材制造技术允许形成复杂的几何形状，而使用传统的减材加工技术或铸造/注射成型技术很难或不可能实现。3D打印技术的这种灵活性在火箭发动机设计领域提供了独特的机会。

l 国内

零壹空间

2018年5月17日，零壹空间自主研发的OS-X火箭“重庆两江之星”成功点火升空。这也是中国首枚“民营自研商用亚轨道火箭”，开创了中国商业航天历史上的崭新起点。

零壹空间所获批的内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器专利CN 109630319A

深蓝航天

2019年11月，中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车，取得圆满成功。在推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，大量采用3D打印工艺，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。

据悉，发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件为金属3D打印，发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件，零件内部有百余条冷却流道。

星际荣耀

星际荣耀所获批的总装结构、火箭发动机、液体火箭专利CN209838557U

涡轮盘、液体火箭打洞机、液体火箭专利CN210105926U

与传统的电火花等加工工艺相比，在两级叶片的间距过小或同级叶片间的排列紧密时，传统的工艺受操作空间以及加工精度等的影响，这种紧凑的涡轮盘难以加工。根据魔猴网的市场观察，星际荣耀通过增材制造一体成型技术可十分方便的加工出上述紧凑型的涡轮盘，加工过程简单，时间短。

根据魔猴网的市场研究，星际荣耀致力于研发的发动机包括在低成本、可回收方面极具竞争力的液体发动机。除此之外，星际荣耀还在研发姿轨控动力系统，相关部件包括单组元推力室、双组元推力器、切破式电爆阀。

其他

Review

金属3D打印已经成为航空和航空航天领域的一项关键技术，因为它的优势与该行业的关键需求保持一致，包括减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。

3D打印可以将原本通过多个构件组合的零件进行一体化打印，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。

此外，金属3D打印可以让打印部件达到传统方式无法达到的薄壁、尖角、悬垂、圆柱等形状的极限尺寸，让产品设计师有了更大的发挥空间。在进行飞行器中的复杂零部件设计时，设计师由过去以考虑零部件的可制造性为主，转变为增材设计思维下的实现零部件功能性为主。

由此出发，3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

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