摩根士丹利（Morgan Stanley）估計(jì)，到 2040年，全球航天產(chǎn)業(yè)的收入將從目前的 3,500億美元發(fā)展到超過(guò)1萬(wàn)億美元的市場(chǎng)規(guī)模，而SpaceX可能是該產(chǎn)業(yè)最大的參與者之一。關(guān)于3D打印對(duì)火箭制造行業(yè)的革新作用， SpaceX首席設(shè)計(jì)師兼首席執(zhí)行官馬斯克有著精辟的觀點(diǎn)：通過(guò)3D打印，可以以傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時(shí)間就能制造出堅(jiān)固且高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

SpaceX正在推動(dòng)21世紀(jì)增材制造的極限，火箭比以往任何時(shí)候都更加高效，可靠和強(qiáng)大。

 推動(dòng)增材制造的極限，探索研發(fā)與制造的無(wú)盡可能

       通過(guò)3D打印來(lái)創(chuàng)建高性能的火箭零件，SpaceX正在推動(dòng)增材制造的極限，以期使Falcon 9火箭、Dragon飛船以及Starship火箭比以往任何時(shí)候都更加可靠，強(qiáng)大和高效。SpaceX于2013年就成功通過(guò)EOS金屬3D打印機(jī)制造SuperDraco火箭發(fā)動(dòng)機(jī)引擎室，使用了鎳鉻高溫合金材料。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)相比，使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的交貨期和并降低制造成本，而相比傳統(tǒng)制造發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，而且可以實(shí)現(xiàn)“材料的高強(qiáng)度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優(yōu)良屬性。這是一種非常復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所有的冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)都很難制造。EOS能夠打印非常高強(qiáng)度的先進(jìn)合金,是創(chuàng)造SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

      SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)為Dragon龍飛船的發(fā)射逃生系統(tǒng)提供了動(dòng)力，并使該運(yùn)載器能夠以精確的精度推進(jìn)降落在地球上（并可能在未來(lái)的另一個(gè)星球上降落）。通過(guò)選區(qū)激光熔化金屬3D打印工藝制造，鎳鉻高溫合金材料提供了高強(qiáng)度、韌性，及可靠性。

      2014年，SpaceX推出了Falcon 9火箭，該火箭具有3D打印的氧化劑閥體（MOV）主體，該閥門在低溫溫度和高振動(dòng)條件下成功運(yùn)行。與傳統(tǒng)的鑄造零件相比，3D打印用于制造火箭氧化劑閥體具有卓越的強(qiáng)度，延展性和抗斷裂性，并且材料特性的可變性較低。與以月為單位的典型鑄造周期相比，MOV閥體的3D打印時(shí)間不到兩天。此后，該閥門的廣泛測(cè)試程序包括一系列嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，組件級(jí)資格測(cè)試和材料測(cè)試，從而使3D打印的MOV閥體可以在以后的所有Falcon 9火箭上使用。

       就在2019年近日，馬斯克宣布將推出史上最強(qiáng)星際火箭Starship火箭，作為SpaceX的最新產(chǎn)品，高118米（約40層樓），寬約9米。Starship是史上最強(qiáng)大的火箭，不僅能夠往火星、月球運(yùn)送多達(dá)100噸的有效載荷，也能夠載客100多人——且可以進(jìn)行長(zhǎng)期的星際旅行。加上名為“Super Heavy”的助推器，Starship將會(huì)直接取代當(dāng)前的獵鷹9號(hào)和獵鷹重型火箭，以及用于貨運(yùn)和載人的龍飛船。Starship總長(zhǎng)度118米，第一級(jí)長(zhǎng)度為68米，直徑9米，可裝載燃料重量3300噸，燃料和氧化劑分別為液態(tài)甲烷和液氧。第一級(jí)火箭總共有37個(gè)“猛禽”引擎。每個(gè)猛禽推進(jìn)器可以提供200噸的推力，因此發(fā)射時(shí)的總推力將達(dá)到驚人的7300噸。

        SpaceX一直致力于將人類帶入火星，并專注于制造可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)，SpaceX的Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)可重復(fù)使用1000次。根據(jù)SpaceX的說(shuō)法，制造過(guò)程包括許多3D打印零件，從而可以降低成本并使更輕的零件生產(chǎn)成為可能。3D打印的組件包括推進(jìn)劑閥體，渦輪泵零件和噴射器系統(tǒng)的零件。3D打印可以大大降低生產(chǎn)成本，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力重量比，因?yàn)樗�可以生產(chǎn)傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更輕的零件。3D打印引擎組件的另一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)是可以提高設(shè)計(jì)更改的速度，與幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間相比，它使研發(fā)團(tuán)隊(duì)迅速的完成多次設(shè)計(jì)迭代過(guò)程，從而獲得設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)層面的突破。

SpaceX的埃隆·馬斯克（Elon Musk）與新的Raptor火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

     多年以來(lái)，SpaceX一直在評(píng)估3D打印的好處，并完善開(kāi)發(fā)飛行硬件所需的技術(shù)，在此過(guò)程中取得了一些重大成功。隨著增材制造行業(yè)的發(fā)展，我們可以期望SpaceX將繼續(xù)通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)迄今為止所取得的令人難以置信的成果，并繼續(xù)以他們對(duì)太空的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)啟發(fā)人類對(duì)宇宙的探索能力。信念與對(duì)新技術(shù)的開(kāi)放態(tài)度，SpaceX在不斷開(kāi)啟新的探索。

 Review

     3D打印技術(shù)已成為航天制造機(jī)構(gòu)搶灘下一代經(jīng)濟(jì)性、可重復(fù)利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要“籌碼”。國(guó)際上這些商業(yè)化航天企業(yè)在高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造中大膽嘗試著3D打印技術(shù)。談到民營(yíng)商業(yè)航天，在國(guó)際上已不乏先行者，例如伊隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)建的Space X, 以及亞馬遜CEO杰夫貝索斯創(chuàng)立的Blue Origin。除此之外，還有起步較晚的Launcher、Relativity Space等初創(chuàng)公司。

       隨著世界商業(yè)航天業(yè)的發(fā)展，我國(guó)開(kāi)始在政策層面與資本層面上鼓勵(lì)民營(yíng)商業(yè)航天的發(fā)展。2016年，國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布了《2016中國(guó)的航天》白皮書，突出強(qiáng)調(diào)“鼓勵(lì)引導(dǎo)民間資本和社會(huì)力量有序參與航天科研生產(chǎn)、空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、空間信息產(chǎn)品服務(wù)、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)等航天活動(dòng)，大力發(fā)展商業(yè)航天”。

      在此背景下，我國(guó)商業(yè)航天業(yè)得到發(fā)展。北京時(shí)間2019年7月25日，北京星際榮耀空間科技有限公司（星際榮耀）公司的雙曲線一號(hào)遙一運(yùn)載火箭（SQX-1 Y1）在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，國(guó)內(nèi)星際榮耀通過(guò)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)的液體發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵部件包括渦輪盤。星際榮耀研發(fā)了一種葉片與轉(zhuǎn)盤一體成型的增材制造渦輪盤，至少兩級(jí)葉片成型在轉(zhuǎn)盤外周上。在此應(yīng)用中使用的增材制造-3D打印技術(shù)為選區(qū)激光熔化，打印材料為Inconel718高溫合金。選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠解決電火花等加工工藝在兩級(jí)葉片的間距過(guò)小或同級(jí)葉片間的排列緊密時(shí)，受操作空間以及加工精度等影響而導(dǎo)致的渦輪盤難以加工的問(wèn)題。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，在液體姿軌控制動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)中，星際榮耀也進(jìn)行了3D打印探索，并研發(fā)了一種可將液體姿軌控制動(dòng)力系統(tǒng)配套組件集成裝配在一起的3D打印總裝結(jié)構(gòu)。這一安裝結(jié)構(gòu)件的顯著特點(diǎn)在于功能集成，其中的管接頭、機(jī)體中的若干條流道等為一體化設(shè)計(jì)，可通過(guò)選區(qū)激光熔化或電子束熔化（EBM）技術(shù)制造，制造材料為鎂鋁硅合金或鈦合金。這種功能集成的結(jié)構(gòu)能夠減少總裝結(jié)構(gòu)的零部件數(shù)量，降低組裝難度，減少制造成本。

3D打印技術(shù)已然成為火箭制造的“頂梁柱”，有關(guān)應(yīng)用以及國(guó)際航天業(yè)在低成本、可回收火箭方面掀起的3D打印技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，

(責(zé)任編輯：admin)

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