自今年5月开始，从新一代载人飞船、天问一号火星探测器到嫦娥五号月球探测器，3D打印技术在我国航空航天领域得到了大量直接应用和在轨验证，取得了重要进展。在国际范围内，SpaceX已开始执行NASA商业载人航天任务，从龙飞船发动机到宇航员头盔，3D打印同样发挥了重要作用。本期，我们列举中美两国航空航天企业对3D打印技术的应用进展。

美国航空航天企业3D打印技术应用进展

美国航空航天业采用3D打印技术的案例多集中在民营航空领域，像Relativity Space、Rocketlab、Launcher公开宣称采用3D打印来制造火箭，SpaceX也不乏3D打印技术的应用。

Relativity Space是第一家进行3D打印整个火箭的公司，该公司上月宣布完成了5亿美元D轮融资。其利用3D打印技术将运载火箭的零件数量从10万个降低到1000个以下，零件数仅为原来的1%，不仅提高了火箭发动机的效率，而且通过零件的重新设计或结构改造，有效降低了火箭发动机重量，可谓两全其美。

Relativity Space 3D打印的Aeon1发动机，约由100个零件组成

Relativity Space 世界最大的金属3D打印机，一只手臂进行熔丝增材制造，另两只用来进行减材加工

Launcher开发的E-2火箭发动机是一个整体式的高性能铜合金结构，也是世界上最大的单部件3D打印液体火箭发动机燃烧室，它没有任何组装零件，内部集成了复杂的冷却通道，这一设计使其进入轨道所需的推进剂更少，运载的货物更多，成本更低。

Launcher 3D打印的一体式铜合金火箭发动机燃烧室，高度达86cm、直径40cm

Launcher 3D打印的一体式铜合金火箭发动机燃烧室

2016年，Rocket Lab 开发出世界首台采用电动泵输送推进剂的液体发动机——“卢瑟福”，其75％以上的部件采用3D打印制造，可3天完成生产。截至2019年7月，Rocket Lab取得了里程碑式的进展，成功完成了第100台3D打印火箭发动机的制造，其中70台已经投入太空使用。11月，该公司还成功回收了一级火箭。

Rocket Lab 火箭上的9台发动机均为3D打印制造

SpaceX在3D打印的使用方面公开报道的案例实际上并不如其他公司，Relativity的创始人也表示前者并没有充分利用3D打印技术，但马斯克从不讳言对这项技术的青睐。

中国航空航天企业3D打印技术应用进展

和美国动辄打印整枚火箭发动机甚至整个火箭不同，中国航天无论是国家队还是民营企业都没有像美国企业那样激进，极少看到大规模整合零件数量、大幅降低发射成本的报道。不过，从近几年的应用来说，取得的进步仍然让我们振奋。

在国家队方面，2020年5月发射的新一代载人飞船试验船返回舱防热大底框架采用激光沉积3D打印制造，同时实验船还搭载了立方星3D打印新型部署器以及其他60余件金属3D打印产品，同期更是完成了多种3D打印技术的太空在轨验证；7月，“天问一号”发射成功，与新一代载人飞船实验船一样，它们都由长征五号发射。航天科技一院长征五号运载火箭总设计师李东曾经介绍称3D打印将为今后火箭的主承力部段轻量化结构设计与制造提供强有力的技术支撑。2019年，一院211厂完成首批长征五号系列运载火箭芯级捆绑支座的批生产，该部件是我国首个采用全3D打印的米级关键承力构件，重量比原来的高强钢设计减少30%；七月发射的长征五号级间解锁装置保护板采用华曙高科连续增材制造系统（CAMS）HT1001P解决方案加工而成，整个部件尺寸直径约5m，由50件零件拼接而成，耗时仅48小时。

采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物

级间解锁装置保护板每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm

2016年，由中国航天科技集团研发的世界首例卫星主体轻量化点阵结构也是采用金属3D打印技术制备，采用点阵网格优化设计成功实现了减重目标。国家队的其他单位，如航天科技四院、五院、六院、八院等单位也在不同领域取得了不凡的应用进展。

世界首例卫星主体轻量化点阵结构也采用金属3D打印技术制备

中国民营航空企业的发展目前正处于追赶阶段，包括零壹空间、深蓝航天和星际荣耀、蓝箭航天在内的企业在3D打印技术的应用方面也进行了积极尝试。

2020年农历春节前夕，北京深蓝航天自主研制的“雷霆-5”（LT-5）液体火箭发动机进行了首次整机变推力长程试车，试验取得圆满成功。整机研制自2019年4月方案设计到2019年8月各零部组件投产，再到2020年1月整机试车，共历时9个月，刷新了液体火箭发动机研制的“中国速度”。在产品制造方面，深蓝航天大量采用3D打印工艺，推力室主体结构全部采用3D打印制造。通过采用3D打印、电动驱控等新工艺新技术，显著提高了产品的可靠性和测试维护性以及研制的迭代速度，将主要零部件的生产周期减少到一个月内，从零部件到整机的装配时间则减少到3小时以内。

深蓝航天3D打印的发动机推力室

星际荣耀致力于研发在成本、可回收方面极具竞争力的液体发动机。目前已实现火箭发动机总装结构的一体打印成型，总装结构以内部成型流道的方式替代传统的管路件，减少了零件数量，降低了组装难度并减少了制造成本。与此同时，星际荣耀还通过3D打印一体成型了紧凑型涡轮盘，极大降低了加工难度并缩短了加工周期。2019年上半年，星际荣耀完成了15吨级液氧甲烷火箭发动机焦点1号（JD-1）的涡轮泵与副系统联合试验。据公开信息显示，焦点1号发动机涡轮泵75%的零组件采用3D打印工艺，燃气发生器采用全3D打印工艺，零件数量减少60%。7月，该公司取得中国民营火箭公司的首次成功“入轨”发射。

星际荣耀运载火箭

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。根据公开报道，零壹空间通过3D打印技术开发了适用于内嵌点火装置的主动冷却式针栓喷注器，使燃料燃烧更为充分，且在一定程度上抑制燃烧不稳定性的发生。

零壹空间火箭试车

2019年11月30日，蓝箭航天“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机（TQ-11）全系统热试车成功；上周，蓝箭航天宣布顺利攻克朱雀二号液体运载火箭大口径低温液体输送管路设计、制造和试验验证难题，圆满完成了火箭一级液氧输送管路低温振动试验。TQ-11系国内现有唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机，是朱雀二号液体运载火箭的二级游动发动机。据蓝箭航天介绍，公司旗下TQ-11和TQ-12发动机在制造过程中均广泛采用3D打印技术，其中燃烧室身部都采用3D打印一体成型，降低了研发成本和制造周期，而且更容易量产。

TQ-11成为国内目前唯一试车时间破万的液氧甲烷发动机

END

3D打印技术已经成为航空航天领域的一项关键技术，它的制造特点与该行业所一直追求的减轻重量、节省燃料、缩短制造时间、降低成本相吻合。也正因此，该技术也成为众多民营航天企业希望弯道超车的重要依赖之一。

在我国航天领域，“国家队”的航天企业和科研院所一直都是中国航天领域的绝对主力。而体制外的民营航天企业虽不如国外企业那般激进，但也进行了积极探索，仍然展示了3D打印等先进制造技术在实现快速迭代、降低研发成本、提升火箭关键部件性能等方面的优势。未来，我们期待更多航空航天3D打印技术的应用获得公开报道，例如探月工程和火星探测任务等等。

内容来源： 3D打印技术参考