2019年中國航天領(lǐng)域3D打印8大應(yīng)用成就和案例

來源：3D打印技術(shù)參考

中國航空航天領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用長時間以來其實報道的都不多，這不僅為這個行業(yè)增加了一絲神秘色彩，更讓3D打印的從業(yè)者們翹首期待。我國航空航天3D打印應(yīng)用在2019年取得了非常多的應(yīng)用成就，本期，3D打印技術(shù)參考將按事件發(fā)生的時間細(xì)數(shù)在過去一年中，國內(nèi)航天領(lǐng)域增材制造的應(yīng)用情況。

1. 航天一院211廠全3D打印長五火箭芯級捆綁支座完成批生產(chǎn)

2019年3月，中國航天科技集團(tuán)有限公司一院211廠完成首批長征五號系列運(yùn)載火箭芯級捆綁支座的批生產(chǎn)。長五系列芯級捆綁支座是我國首個采用全3D打印的米級關(guān)鍵承力構(gòu)件。進(jìn)入批生產(chǎn)前，產(chǎn)品順利通過靜力試驗，試驗全面考核了飛行狀態(tài)下的產(chǎn)品性能。

捆綁支座為運(yùn)載火箭主承力構(gòu)件，綜合力學(xué)性能要求高，此前主要采用加工性能較好的高強(qiáng)鋼，通過鍛造再機(jī)加的方式成形。但這一加工方式存在材料去除量大、加工周期長等問題。

長征五號遙三火箭于2019年12月27日成功發(fā)射

面對新型號減重的迫切需求，該廠于2016年提出采用具有更高比強(qiáng)度的鈦合金材料，利用激光同步送粉3D打印工藝，實現(xiàn)捆綁支座的整體成形。經(jīng)過系統(tǒng)工藝研究，該廠試制的產(chǎn)品順利通過了成分、組織性能、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等各類檢測，整體綜合性能達(dá)到鍛件水平，且較原設(shè)計減重30%。

激光同步送粉3D打印技術(shù)，不僅實現(xiàn)了難加工金屬材料的快速成形，同時還為箭體主承力部段的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2. 航天科技八院149廠增材制造技術(shù)通過審查

2019年6月，149廠核心專業(yè)建設(shè)空間增材制造技術(shù)通過立項審查。隨后，該廠還就復(fù)合材料絲材的制備、打印過程中的送絲方式、如何保證工件的層間強(qiáng)度以及絲材的編織等方面進(jìn)行了研討，為后續(xù)工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

3. 國際首個3D打印全點陣整星結(jié)構(gòu)成功入軌

2019年8月，航天一院捷龍一號遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功將“千乘一號01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。千乘一號衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個基于3D打印點陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號衛(wèi)星入軌運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達(dá)到九級，即實際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)。

整星結(jié)構(gòu)示意圖

千乘一號整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，并通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

千乘一號小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)由航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)研制。航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部是我國航天器空間機(jī)械產(chǎn)品研制的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價方面開展了大量的研究工作，突破了基于三維點陣材料的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

4. 航天科技四院3D打印噴管熱試車成功

2019年9月，四院首臺3D打印噴管隨發(fā)動機(jī)地面熱試車成功。該臺噴管金屬承載件所采用的3D打印成型技術(shù)是一種快速、簡便、無模具的加工方式，這也是該院首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于地面試驗產(chǎn)品，驗證了3D打印金屬件在較高壓強(qiáng)下的承載性能和工作可靠性，為后續(xù)型號試驗奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5. 航天科技六院11所首個高溫合金3D打印氧泵離心輪通過考核

2019年10月，由航天科技集團(tuán)六院11所主導(dǎo)研制的首個高溫合金3D打印氧泵離心輪成功通過試車考核。

據(jù)了解，液氧煤油發(fā)動機(jī)渦輪氧泵離心輪轉(zhuǎn)速高、負(fù)載大，處于惡劣低溫液氧環(huán)境，承受著低溫引起的材料性能變化、離心力、流體液動力、轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動力等，直接影響到發(fā)動機(jī)的可靠性。

目前，國外大推力液體火箭發(fā)動機(jī)氧泵離心輪常采用高溫鎳基合金粉末冶金制造方案，然而國內(nèi)對于該工藝的研究較少。

空間站特種真空泵（來源：西安航天動力研究所）

為了解決這一難題，提高氧泵離心輪的工作安全可靠性，11所渦輪泵設(shè)計人員聯(lián)合六院增材制造中心，提出了3D打印氧泵離心輪制造方案，并制定了詳細(xì)的研制計劃，對性能測試、對比驗證、超轉(zhuǎn)試驗等研究項目進(jìn)行了攻關(guān)。

經(jīng)過近一年的研制、試驗和仿真分析，項目團(tuán)隊攻克了3D打印工藝、低溫高強(qiáng)度高韌性熱處理制度等難題，進(jìn)行了超轉(zhuǎn)試驗驗證，首件產(chǎn)品通過了試車考核。

6. 深藍(lán)航天3D打印發(fā)動機(jī)推力室長程試車成功

2019年10月，民營航天企業(yè)深藍(lán)航天對液氧煤油發(fā)動機(jī)進(jìn)行推力室長程試車，試驗取得圓滿成功。（長征五號助推器發(fā)動機(jī)也采用液氧煤油）

此次試車的發(fā)動機(jī)噴注器殼體和推力室身部兩個零件采用金屬3D打印制造，內(nèi)部有百余條冷卻流道，使用傳統(tǒng)工藝銑削和焊接工藝不僅制造周期長、成本高，零件性能也難以得到保證。

鉑力特在承擔(dān)此次任務(wù)中嚴(yán)格控制工藝，保證零件外形尺寸、流道精度及粗糙度，同時零件加工周期縮短至2-3周。采用3D打印工藝制造的推力室，實現(xiàn)了國內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

7. 藍(lán)箭航天：國內(nèi)唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)全系統(tǒng)熱試車成功

2019年11月30日，藍(lán)箭航天“天鵲”10噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)（TQ-11）全系統(tǒng)熱試車成功。TQ-11系國內(nèi)現(xiàn)有唯一多噴管液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)，是朱雀二號液體運(yùn)載火箭的二級游動發(fā)動機(jī)。

TQ-11推力室噴管

據(jù)藍(lán)箭航空介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發(fā)動機(jī)在制造過程中均廣泛采用3D打印技術(shù)，其中燃燒室身部都采用3D打印一體成型，降低了研發(fā)成本和制造周期，而且更容易量產(chǎn)。在此次試車之前，該發(fā)動機(jī)已于今年1月完成燃?xì)獍l(fā)生器熱試車，7月完成推力室試車考核，9月完成半系統(tǒng)試車。

8. 航天529廠助力我國實現(xiàn)多材料、多結(jié)構(gòu)、多工藝、多型號3D打印產(chǎn)品在軌應(yīng)用

2019年12月27日，長征五號遙三運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場將實踐二十號衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道，任務(wù)獲得圓滿成功。此前的12月20日，長征四號乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，成功執(zhí)行“一箭九星”任務(wù)。在這連續(xù)2次發(fā)射任務(wù)中，實踐二十號衛(wèi)星、中巴地球資源04A衛(wèi)星、“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星上均搭載了529廠采用3D打印技術(shù)研制的多種復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

“天琴”空間引力波探測計劃

尤其值得一提的是，鋁合金蒙皮點陣式輕量化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、鈦合金激光送粉3D打印產(chǎn)品、鈦合金激光鋪粉3D打印產(chǎn)品首次實現(xiàn)在軌應(yīng)用。這是繼去年嫦娥四號中繼星后，529廠3D打印技術(shù)取得的又一重大型號應(yīng)用成果。

END

此前，我們已經(jīng)看到很多國外航天企業(yè)大膽嘗試3D打印技術(shù)的案例，而且絕大部分涉及推力室制造和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的3D打印。由于這一技術(shù)的先進(jìn)性，國內(nèi)的研發(fā)和嘗試一直在緊鑼密鼓的進(jìn)行中。我們相信，本篇內(nèi)容所展示的僅僅是國內(nèi)所有航天應(yīng)用的一部分，更多的實踐我們可能并未知曉。相比于國外，我們并未落后于他人，甚至在有些地方遙遙領(lǐng)先。2019年已經(jīng)過去，2020年的3D打印技術(shù)應(yīng)用將更加深入和精彩。


注：本文部分內(nèi)容來自中國航天科技集團(tuán)。