3D打印技术”飞“上天，大大降低航天器零部件制造成本，颠覆航天业

发布时间：2023-07-27 10:43:13来源：夙烨，新华社，浪在硅谷航空知识王亚男浏览量：

3D打印技术的迅速发展为航空航天行业带来了全新的机遇和挑战。通过3D打印技术，可以以增材制造的方式，快速、灵活地制造复杂的零部件和组件，大大减少了制造周期，降低了制造成本，并且提高了零部件的性能和质量。3D打印技术在航空航天领域的应用正在逐渐受到广泛关注，并且取得了令人瞩目的成果。

一次成功的失败，人类发往太空的第一支3D打印火箭

3月22日，由Relativity Space公司研发制造的人族一号（Terran 1）火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队的16号发射场升空。继3月8日和11日两次因技术问题取消发射后，此次发射尤为扣人心弦。

按照计划，人族一号发射1分20秒，穿过最大空气动力点；升空2分45秒，一二级火箭分离；升空7分44秒，二级火箭发动机关闭；发射升空8分钟，二级火箭进入既定轨道。

在火箭发射后7分钟左右，二级火箭发动机在点火时出现异常，随即实时影像消失，火箭未能进入预定轨道，但其在上升阶段到达了火箭穿越大气层的过程中阻力最大的点——最大空气动力点，因此也实现了本次试射的一个重要目标。由此，人族一号成为人类历史上首个成功发射的几乎全3D打印的火箭。

人族一号是目前世界上最大的3D打印物品：它由两级组成，高约33.5米，宽约2.2米，重9.28吨。其85%的组件由合金金属材料3D打印而成。

在很多行业看来，85%的3D打印比例并不高，但对于航天来说却意味着里程碑式的突破。据Relativity官方介绍，尽管很多新型火箭都采用了3D打印技术，但3D打印的零部件占比都不超过4%。而人族一号的绝大部分零件均由3D打印完成，包括最关键的Aeon 1甲烷液氧发动机，以及推进剂罐、反应控制推进器、加压系统等核心系统。

因为采用了3D打印技术，Relativity可以在60天内制造一支火箭，比传统的生产方式快10倍，同时制造零件量也仅有过去的1%。

此外值得一提的是，人族一号采用的是甲烷燃料发动机，SpaceX的星舰同样采用了甲烷燃料。相比燃油发动机，甲烷燃料积碳更少、燃烧效能更高，并且可以很容易地从液化天然气中提炼出来，生产成本更低。

3D打印技术在飞行器制造中的应用

飞行器的重量对于飞行性能和燃油消耗具有重要影响。传统的制造方法在追求结构强度的同时，往往会导致零部件的过度设计和材料的过度使用，造成不必要的重量增加。而3D打印技术的优势在于可以实现按需制造，即按照实际需求来设计和制造零部件，从而实现轻量化设计和性能优化。

通过3D打印技术，可以在零部件的内部实现复杂的蜂窝状结构或空心设计，以减少材料的使用同时保持结构强度。3D打印技术可以通过优化结构设计，消除或减少不必要的连接件，提高零部件的整体一体性，从而进一步减轻飞行器的重量。

轻量化设计不仅能够提高飞行器的燃油效率，延长续航能力，还可以增加载荷能力，提高飞行性能和机动性，进一步增强飞行器的竞争力。

传统制造方法通常受到成型工艺的限制，难以制造复杂几何形状的零部件。而3D打印技术的优势在于可以实现高度灵活的设计，制造具有复杂结构的零部件。

在飞行器制造中，往往需要特殊形状或非常复杂的零部件，例如燃料喷嘴、涡轮叶片等。这些部件的设计需要满足严格的工程要求，传统制造方法可能面临困难或成本过高。而通过3D打印技术，可以通过逐层堆叠材料的方式，精确地制造出这些复杂结构的零部件，满足设计要求。

3D打印技术还可以实现多材料的组合制造，例如将金属和陶瓷等材料结合在一起，以实现更高的性能和功能。

在飞行器制造的研发过程中，通常需要进行大量的原型制作和模拟测试。传统制造方法往往需要耗费大量时间和成本来制造原型，而且一旦发现问题，需要重新制造。而3D打印技术的快速原型制作能力使得原型的制造时间大大缩短，从而加速了设计验证和测试过程。

通过3D打印技术，可以根据设计数据快速制造出物理模型，供工程师和设计师进行实际检验和测试。这样，可以及早发现潜在问题并及时进行修改，从而降低飞行器研发过程中的风险和成本。3D打印技术还可以实现模拟测试零部件的功能和性能。通过打印出实际尺寸的零部件，并进行物理测试，可以模拟真实工作环境下的性能表现，从而更好地了解飞行器的性能和潜在问题。

3D打印技术在航天器零部件中的应用

航天器的结构零部件在航天任务中起着关键的作用，它们需要具备高强度、轻量化、高稳定性和耐高温等特性。传统制造方法在制造这些复杂的结构零部件时可能面临困难，而3D打印技术的优势在于可以实现复杂几何形状和薄壁结构的制造，因此在航天器结构零部件的制造中具有巨大的潜力。

通过3D打印技术，可以将复杂结构的航天器零部件整体打印出来，减少了连接件和焊接工艺，提高了零部件的整体稳定性。可以在零部件的内部实现蜂窝状结构或空心设计，从而减轻零部件的重量，实现轻量化设计。这对于航天器的质量控制、减轻运载轨道负荷、提高有效载荷和降低燃料消耗具有重要意义。

燃料喷嘴和推进系统是航天器的关键组成部分，直接影响着航天器的推进性能和动力系统效率。传统制造方法在制造复杂的喷嘴和推进系统部件时往往需要复杂的加工工艺和高昂的成本。而通过3D打印技术，可以实现高度灵活的设计和制造，为燃料喷嘴和推进系统部件的优化设计提供了可能。

通过3D打印技术，可以在燃料喷嘴内部实现复杂的内部结构，例如多孔结构、涡流增强器等，从而改善喷嘴的流动特性和燃烧效率。3D打印技术还可以实现多材料组合制造，使得推进系统部件可以根据实际需求选择合适的材料，提高其耐高温和耐腐蚀性能。

航天器的传感器和测控设备在航天任务中扮演着重要角色，用于监测航天器的状态和环境，并进行控制和调整。传统制造方法在制造精密的传感器和测控设备时可能受到制造限制，而3D打印技术的优势在于可以实现复杂的精密结构制造。

通过3D打印技术，可以实现微型传感器和微型测控设备的制造，提高传感器的精度和响应速度。3D打印技术还可以在传感器和测控设备的外壳中加入复杂的内部结构，通道、阀门等，从而实现更多功能的集成，提高传感器的灵活性和多样性。

我国航空领域3D打印技术持续发展

中国也在大力推动3D打印技术发展和应用。航天工业已经开始用3D打印技术制造复杂的部件和设备。例如发动机喷嘴、燃料导管等，有些部件已经进入使用。中国工程院院士、国家增材制造创新中心主任卢秉恒表示，3D打印技术近年来迅猛发展，主要聚焦在陶瓷材料、高性能材料、多材料及梯度结构、金属基复合材料等方向。

国产长征5号运载火箭部分部件，就采用了3D打印制造，2020年，长征5号还把一艘国产试验飞船送到太空，船上就有一部3D打印机，用来验证3D打印在在太空环境下的性能。

“GE燃油喷嘴是世界上第一个实现大规模量产的3D打印零件，年产量达到3至4万件，在成本、周期、轻量化等方面正在产生显著效益。”卢秉恒认为，3D打印可带来产品装备的颠覆式变革。

卢秉恒介绍了他所在的国家增材制造创新中心的新成果，包括完成了10米重型运载火箭连接环的增材复合制造，解决了大型火箭发展结构制造难题；攻克了微型涡喷、涡轴发动机零件高效集成的创新设计及增材制造技术，零件数量减少94%、研发周期缩短85%。

国产3D打印新火箭发动机

中国民营航天企业“天兵科技”透露，他们的天龙-2运载火箭，采用了自己的研制了天火-11发动机。而天火-11大量采用了3D打印技术，减少了制造周期，降低了成本。这个突破为国产运载火箭低成本发射铺平了道路。

天火-11多达80%的零部件由3D打印制成，包括预燃料室、推力室、涡轮泵、阀门等关键部件。火箭发射之后，这些3D打印部件经受住了高温、高压和高速转行环境的考验，验证了部件可靠性和技术可行性，为下一步扩展运用积累了打下了坚实的基础。

3D打印技术在航空航天领域具有广泛的应用前景。它能够实现复杂几何形状和薄壁结构的制造，为航空航天器的轻量化设计和性能优化提供了可能。3D打印技术还可以实现定制制造和再制造，提高了零部件的灵活性和经济性。在维护和维修方面，3D打印技术的快速制造能力能够在紧急情况下快速响应和替换零部件，减少了维护过程的时间和成本。按需制造还能减少库存和物流成本，提高库存管理的效率。

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