融資幾百億元的商業(yè)航天領(lǐng)域，都在3D打印火箭零部件

導(dǎo)讀：過去幾年，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批商業(yè)航天領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，獲得了數(shù)百億元的融資。這些公司在制造火箭的過程中大膽的使用了創(chuàng)新的3D打印技術(shù)，為商業(yè)航天領(lǐng)域的快速發(fā)展提供了有力支撐。

3D 打印技術(shù)能夠快速生產(chǎn)出復(fù)雜形狀的零件，減少了傳統(tǒng)制造方法中繁瑣的工藝和漫長(zhǎng)的加工周期。例如，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等一些復(fù)雜的零部件，都可以通過 3D 打印精確制造，提高了零部件的性能和可靠性。與此同時(shí)，3D 打印還可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料選擇，能夠制造出更輕但強(qiáng)度足夠的零部件，這對(duì)于航天器減輕重量、降低發(fā)射成本具有重要意義。


蓬勃發(fā)展的商業(yè)航天事業(yè)

●2024年6月9日，中國(guó)商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)公司東方空間成立四周年，四年間東方空間已完成了5輪融資，累計(jì)融資17億元。今年1月11日，東方空間的引力一號(hào)火箭首飛成功，刷新了全球固體運(yùn)載火箭的紀(jì)錄，將我國(guó)固體火箭運(yùn)載能力再提升3倍，標(biāo)志著我國(guó)商業(yè)航天自主創(chuàng)新的重大突破，為中型運(yùn)載火箭便捷高效發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，提供了高性價(jià)比的解決方案。


△東方空間“引力”系列火箭

● 6月11日，天兵科技宣布完成超15億元C+輪新增融資。本輪資金將主要用于天龍三號(hào)大型液體運(yùn)載火箭的首飛與批量化生產(chǎn)，天龍三號(hào)可回收狀態(tài)產(chǎn)品研制，以及天龍二號(hào)中型液體火箭的批量化生產(chǎn)。作為商業(yè)航天領(lǐng)航企業(yè)，天兵科技自成立五年來，已完成了15輪融資，累計(jì)獲得資金支持超40億元。在眾多知名投資機(jī)構(gòu)的持續(xù)助力下，天兵科技在火箭研制、發(fā)射服務(wù)及技術(shù)創(chuàng)新等方面取得了顯著成果。2023年4月2日，天兵科技的天龍二號(hào)中型液體運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛，成為二十多年來全球第一家首飛即成的民營(yíng)企業(yè)，天龍二號(hào)的首飛成功標(biāo)志著中國(guó)商業(yè)航天液體火箭開啟新紀(jì)元。


△天兵科技天龍三號(hào)大型運(yùn)載火箭

●4月15日，藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)可復(fù)用火箭垂直起降回收試驗(yàn)箭（以下簡(jiǎn)稱“試驗(yàn)箭”）順利完成“十公里級(jí)飛行”改造和總裝工作，將全面轉(zhuǎn)入最后的總測(cè)和出廠階段。這是繼1月19日?qǐng)A滿完成百米級(jí)垂直起降飛行試驗(yàn)后，朱雀三號(hào)可復(fù)用火箭準(zhǔn)備迎戰(zhàn)的又一個(gè)新里程碑節(jié)點(diǎn)。


△藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)可復(fù)用火箭

● 5月29日16時(shí)12分，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心海上發(fā)射團(tuán)隊(duì)的組織指揮下，星河動(dòng)力航天公司于山東附近海域圓滿完成谷神星一號(hào)海射型（遙二）發(fā)射任務(wù)，搭載發(fā)射的“天啟星座”25星至28星共4顆衛(wèi)星順利送入850km的近地軌道。


△星河動(dòng)力谷神星一號(hào)海射型火箭發(fā)射

根據(jù)《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書（2023年）》的數(shù)據(jù)，2023年我國(guó)共完成26次商業(yè)發(fā)射，成功25次，發(fā)射成功率達(dá)96%；共研制發(fā)射120顆商業(yè)衛(wèi)星，占全年研制發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的54%。據(jù)悉，目前國(guó)內(nèi)已有9型商業(yè)運(yùn)載火箭可提供發(fā)射服務(wù)，商業(yè)航天已形成穩(wěn)定的服務(wù)能力。

提到商業(yè)航天就不得不提起美國(guó)的 SpaceX ，作為商業(yè)航天的領(lǐng)路人，2023年共發(fā)射98次火箭，除去2次實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的發(fā)射，旗下“獵鷹9號(hào)”和“重型獵鷹”可復(fù)用運(yùn)載火箭96次發(fā)射全部成功，全球占比43%；發(fā)射質(zhì)量達(dá)1195噸，全球占比80%；發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量為2514顆（其中“星鏈”占1948顆），全球占比87%。

3D打印成為商業(yè)航天的制造利器

此前，有商業(yè)航天公司也透露過，他們使用3D打印技術(shù)制造火箭的零部件，本文我們搜集整理一下，當(dāng)前市面上的商業(yè)航天公司是如何使用3D打印技術(shù)來制造火箭零部件的。

星河動(dòng)力3D打印液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)部件

星河動(dòng)力研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)50噸級(jí)變推力，重復(fù)使用開式循環(huán)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)�！吧n穹”液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為“智神星”液體運(yùn)載火箭第一級(jí)（7臺(tái)）和第二級(jí)（1臺(tái)）主動(dòng)力裝置，是多次啟動(dòng)變推力燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面額定推力40噸，最大工況海平面推力50噸（第一級(jí)具備1臺(tái)“Engine-out”能力），最小工況海平面推力10噸（變推比4:1），變推力工作時(shí)滿足助推級(jí)垂直下降和軟著陸回收要求，發(fā)動(dòng)機(jī)具備多次重復(fù)使用和故障檢測(cè)與隔離能力。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用次數(shù)50次，具備±6°搖擺能力，發(fā)動(dòng)機(jī)推重比大于120。



2019年7月，飛而康科技與星河動(dòng)力公司建立了聯(lián)系，并在9月正式承接了此項(xiàng)目，各大小零件總計(jì)30多件。該批零件在設(shè)計(jì)制造的過程中，使用了華曙高科金屬3D打印解決方案，歷時(shí)4個(gè)月順利完成所有零件的交付。期間，飛而康團(tuán)隊(duì)在華曙高科開源金屬3D打印設(shè)備上開發(fā)了針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的激光束焊接，葉輪、轉(zhuǎn)軸的五軸加工工藝，動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，陽極氧化處理，以及氣壓液壓測(cè)試多套專屬定制試驗(yàn)工裝。此次與星河動(dòng)力公司的合作是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件增材制造發(fā)展上的一個(gè)大膽突破。


△飛而康金屬增材制造超級(jí)工廠




渦輪泵的泵輪與蝸殼在設(shè)計(jì)之初，分別進(jìn)行了簡(jiǎn)單型面的機(jī)加方案與復(fù)雜型面的3D打印方案設(shè)計(jì)，后者較前者效率提高約5%。另外，渦輪盤也同樣采取了機(jī)加成型與3D打印成型兩種方案，機(jī)加成型需要20～25天，3D打印僅需要3～4天，縮短80%制造周期，降低了生產(chǎn)成本。

深藍(lán)航天全3D打印液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

深藍(lán)航天液氧煤油可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)“雷霆-R1”繼承了雷霆-5發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印技術(shù)和工藝。雷霆-5發(fā)動(dòng)機(jī)全機(jī)85%重量的零件都由3D打印技術(shù)制作，是國(guó)內(nèi)首型使用3D打印技術(shù)制造的針?biāo)ㄊ揭貉趺河桶l(fā)動(dòng)機(jī)，并成功裝配于“星云-M”試驗(yàn)箭，連續(xù)成功進(jìn)行了十米級(jí)、百米級(jí)、公里級(jí)VTVL試驗(yàn)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

相比之下，規(guī)模更大、性能更強(qiáng)的雷霆-R1發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了雷霆-5發(fā)動(dòng)機(jī)的成功技術(shù)基礎(chǔ)，主要零件都由3D打印機(jī)完成。

3D打印技術(shù)可以顯著縮短發(fā)動(dòng)機(jī)制造流程，降低成本。例如采用傳統(tǒng)工藝條件下由數(shù)百個(gè)零件組成的液體發(fā)動(dòng)機(jī)推力室，在采用3D打印技術(shù)后可以將零件數(shù)量減少到2個(gè)，在實(shí)際工況中出現(xiàn)故障的概率得以降低。此外，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的市場(chǎng)供應(yīng)受限，而3D打印技術(shù)正在迅速蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)化供應(yīng)商來源更加廣泛；深藍(lán)航天依托市場(chǎng)化環(huán)境，在競(jìng)爭(zhēng)中有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。

藍(lán)箭航天3D打印液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)零件

2024年1月19日，藍(lán)箭航天自主研發(fā)的朱雀三號(hào)VTVL-1可重復(fù)使用垂直起降回收驗(yàn)證火箭首次大型垂直起降飛行試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功！該任務(wù)驗(yàn)證了藍(lán)箭航天可重復(fù)使用液氧甲烷火箭一子級(jí)垂直回收總體方案的正確性，大范圍變推力液氧甲烷動(dòng)力系統(tǒng)方案的正確性，火箭控制系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)推特性的匹配性，火箭著陸段制導(dǎo)與控制方案的正確性，火箭軟著陸緩沖機(jī)構(gòu)工作性能，以及可重復(fù)使用火箭測(cè)發(fā)、回收和后處理流程的正確性，成功獲取了朱雀三號(hào)可重復(fù)使用液氧甲烷火箭關(guān)鍵技術(shù)的核心試驗(yàn)數(shù)據(jù)。鉑力特為此次飛行任務(wù)提供全方位的金屬增材制造技術(shù)支持。

鉑力特與藍(lán)箭航天的合作開始于2019年，鉑力特已助力藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)可重復(fù)使用火箭首次大型垂直起降飛行試驗(yàn)任務(wù)、朱雀二號(hào)遙二和遙三運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)等取得成功。藍(lán)箭航天研制的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成技術(shù)攻關(guān)和工程化研制階段，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，對(duì)產(chǎn)品的性能、周期、成本等方面要求較高。鉑力特利用金屬3D打印技術(shù)幫助藍(lán)箭研制并批產(chǎn)了多型零部件。

以點(diǎn)火彎管為例，該零件尺寸為140mm×187mm×140mm，為管路類薄壁零件，且具有異形結(jié)構(gòu)，以往的經(jīng)驗(yàn)中生產(chǎn)難度大，材料利用率低。鉑力特產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)考慮到零件易變形的特點(diǎn)，開發(fā)了定制化的工藝方案，選用了高溫合金材料，利用BLT-S400設(shè)備實(shí)現(xiàn)該零件的批量生產(chǎn)。滿版可成形10件，打印時(shí)間約65小時(shí)。在保證產(chǎn)品質(zhì)量精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零件的快速制造，幫助客戶節(jié)約生產(chǎn)成本，加快技術(shù)迭代，提高研制效率。


△彎管接頭示意圖

鉑力特參與的商業(yè)航天典型應(yīng)用場(chǎng)景包括：可重復(fù)使用液氧甲烷火箭、固體運(yùn)載火箭、液體運(yùn)載火箭，立方星部署器、實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、商業(yè)通信衛(wèi)星等；其中多個(gè)商業(yè)航天項(xiàng)目已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

天兵科技超大尺寸推力室不銹鋼3D打印

2024年1月，商業(yè)航天企業(yè)天兵科技為大型液體運(yùn)載火箭天龍三號(hào)配套研制的110噸推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“天火十二“（簡(jiǎn)稱TH-12）圓滿完成首飛批次校準(zhǔn)熱試車。

天兵科技百噸級(jí)天火十二（TH-12）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)首次采用冷氣多次起動(dòng)技術(shù)，自燃點(diǎn)火技術(shù)，燃燒不穩(wěn)定抑制技術(shù)，超大尺寸推力室不銹鋼3D打印制造技術(shù)，渦輪盤熱力組件3D打印技術(shù)等四十余項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，目前已通過多次試驗(yàn)得到充分驗(yàn)證。



天兵科技創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)康永來在一次采訪中表示：天龍二號(hào)是中國(guó)首款采用3D打印液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載火箭，發(fā)動(dòng)機(jī)有接近90%部件都是3D打印的。按照以往的流程和制作工藝，發(fā)動(dòng)機(jī)采用的材料多，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝流程長(zhǎng)，生產(chǎn)耗時(shí)長(zhǎng)，采用3D打印技術(shù)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)制造周期縮短了70%-80%，成本降低至原來的一半左右。

天兵科技剛開始決定做3D打印方案的時(shí)候，市面上沒有能3D打印相關(guān)部件的公司，如何提高供應(yīng)端3D打印工藝的穩(wěn)定性，3D打印產(chǎn)品出來后，如何進(jìn)行處理，將3D打印的材料性能做進(jìn)一步的提升，背后都需要大量的工作。天兵科技跟供應(yīng)商一起研究，最終實(shí)現(xiàn)了3D打印的方案，這項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，將中國(guó)3D打印技術(shù)向前推進(jìn)了一大步。

“我們某種意義上推動(dòng)了3D打印這個(gè)產(chǎn)業(yè)，把中國(guó)3D打印技術(shù)全面推向高端裝備制造業(yè)�！笨涤纴碚f。


東方空間3D打印主捆綁相關(guān)零件

東方空間自主研制的引力一號(hào)（遙一）海瀾之家號(hào)運(yùn)載火箭搭載云遙一號(hào)18星-20星共3顆衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，飛行試驗(yàn)任務(wù)獲得圓滿成功。

“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭首飛即采用難度較高的海上發(fā)射，創(chuàng)造了全球最大固體運(yùn)載火箭、中國(guó)運(yùn)力最大民商運(yùn)載火箭、中國(guó)首型捆綁式民商運(yùn)載火箭等多項(xiàng)紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)商業(yè)運(yùn)載火箭自主創(chuàng)新取得重大進(jìn)展，擴(kuò)充了我國(guó)中低軌衛(wèi)星多樣化、規(guī)�；�發(fā)射能力，進(jìn)一步豐富了我國(guó)運(yùn)載火箭型譜，助力我國(guó)衛(wèi)星星座組網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)。



鉑力特參與了“引力一號(hào)”的研制工作，為客戶打印了主捆綁相關(guān)零件。這些零件尺寸大，且均為易變形的異形結(jié)構(gòu)零件。利用傳統(tǒng)加工方式難度大，周期長(zhǎng)，材料利用率低。而利用LSF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件的快速制造。

鉑力特的LSF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大尺寸異形結(jié)構(gòu)件的近凈成形，降低了零件生產(chǎn)周期和成本，縮短研制周期，大大提升材料的利用率，降低了制造成本。經(jīng)檢驗(yàn)，TC11鈦合金零件室溫拉伸力學(xué)性能可靠，抗拉強(qiáng)度≥1060MPa，屈服強(qiáng)度≥885MPa，滿足技術(shù)要求，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。并且在固化工藝后，成本及周期滿足批量生產(chǎn)需求。鉑力特利用多臺(tái)設(shè)備同時(shí)打印的方式為客戶批量生產(chǎn)了主捆綁相關(guān)產(chǎn)品共計(jì)30余件。成形零件的質(zhì)量性能一致性高，滿足航天領(lǐng)域嚴(yán)苛使用需求，幫助火箭成功發(fā)射升空。

END

因?yàn)楹芏鄡?nèi)容涉及商業(yè)保密，因此企業(yè)無法公開更詳細(xì)的3D打印制造過程。盡管存在挑戰(zhàn)，但不可否認(rèn)的是，3D 打印技術(shù)在商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用正不斷拓展和深入。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，它將為商業(yè)航天帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展，為人類探索宇宙提供更有力的支持。