3D打印與航天研發(fā)與制造業(yè)白皮書(shū)（第三版）-3D科學(xué)谷

白皮書(shū)贊助方：白皮書(shū)贊助方：3D打印與航天研發(fā)與制造業(yè)白皮書(shū)(第三版)隨時(shí)查看白皮書(shū)請(qǐng)關(guān)注“3D科學(xué)谷”微信公眾號(hào)：cn_3dsciencevalley前言根據(jù)泰伯智庫(kù)的數(shù)據(jù)，2023-2028年商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入發(fā)展黃金期，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2.8萬(wàn)億元。2024年，商業(yè)航天作為新增長(zhǎng)引擎被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告，充分說(shuō)明了商業(yè)航航航天在發(fā)展運(yùn)營(yíng)、應(yīng)用等上中下游，經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)效應(yīng)明顯。商業(yè)航天領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和企業(yè)成長(zhǎng)，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，其中就包括增材制造-3D打印技術(shù)。以金屬3D打印技術(shù)為例，航天產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能、輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件需求不斷增長(zhǎng)，而3D打印技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠有效滿(mǎn)足這些需求。通過(guò)3D打印技術(shù)，可以快速、精確地制造出傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能大幅度降低成本和縮短生產(chǎn)周期。商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是在中國(guó)，已經(jīng)催生了一批估值超過(guò)67億元的商業(yè)航天獨(dú)角獸企業(yè)，這些企業(yè)在火箭和衛(wèi)星制造方面的需求，推動(dòng)了3D打印技術(shù)的發(fā)展。例如，火箭的姿控動(dòng)力系統(tǒng)采用3D打印技術(shù)制造，提高了集成度和性能；衛(wèi)星制造方面，通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻微距波導(dǎo)、高性能天線(xiàn)等關(guān)鍵部件的加工，提升了衛(wèi)星的性能和生產(chǎn)效率。然而，金屬3D打印技術(shù)在商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用也面臨著一系列挑戰(zhàn)。技術(shù)門(mén)檻高、成本控制、質(zhì)量保證等問(wèn)題都需要行業(yè)共同努力解決。此外，隨著市場(chǎng)的快速發(fā)展，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)和價(jià)格戰(zhàn)也成為行業(yè)發(fā)展的潛在威脅?？傮w而言，商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為增材制造-3D打印技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求，同時(shí)也推動(dòng)了3D打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。《3D打印與航天研發(fā)與制造業(yè)白皮書(shū)(第三版)》從航天市場(chǎng)、3D打印驅(qū)動(dòng)下一代火箭制造技術(shù)、空間推進(jìn)領(lǐng)域、超音速飛行器、衛(wèi)星研制、深空探測(cè)領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用以及增材制造工藝與材料等維度，深入剖析增材制造-3D打印技術(shù)在航天研發(fā)與制造領(lǐng)域的發(fā)展。在未來(lái)，我們期待看到更多創(chuàng)新的3D打印解決方案得到應(yīng)用，為人類(lèi)探索星辰大海貢獻(xiàn)力量。感謝合作伙伴對(duì)本白皮書(shū)制作工作的大力支持!更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.3dsciencevalley3D科學(xué)谷市場(chǎng)研究團(tuán)隊(duì).2024年航天又稱(chēng)空間飛行或宇宙航行。“航天”系泛指航天器在太空在地球大氣層以外(包括太陽(yáng)系內(nèi))的航行活動(dòng)，航天飛行器粗分為載人航天和不載人航天兩大類(lèi)。航空是在地球的大氣層內(nèi)飛行，航空飛行始終沒(méi)有脫離地球的引力。器器飛行器器器航天工業(yè)火箭導(dǎo)彈空間站導(dǎo)彈www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley航天產(chǎn)業(yè)的工程基礎(chǔ)是航天技術(shù)，航天技術(shù)是以探索、開(kāi)發(fā)和利用太空以及地球以外天體為目的，用于航天系統(tǒng)、特別是航天器和航天運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、發(fā)射、運(yùn)行、返回、控制、管理和使用等的綜合性工程技術(shù)。航天產(chǎn)業(yè)與航天技術(shù)及其它技術(shù)的關(guān)系擴(kuò)大應(yīng)用范圍航天產(chǎn)業(yè)航天器、航天運(yùn)載器發(fā)射、運(yùn)行、控制及管理的綜合性工程技空間應(yīng)用空間技術(shù)及其開(kāi)發(fā)的空間資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科技發(fā)展和社會(huì)等方面的應(yīng)用。資源探索宇宙空間自然現(xiàn)象并研究其發(fā)展變化規(guī)律的綜合性科學(xué)研究。遙感計(jì)算機(jī)參考資科：《中國(guó)航天產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力研究》,《2020年中國(guó)商業(yè)航天細(xì)分產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)參與主體分析研究報(bào)告》33中國(guó)航天市場(chǎng)參與主體中國(guó)航天市場(chǎng)參與主體央企中國(guó)航天市場(chǎng)參與主體中國(guó)航天科技集團(tuán)中國(guó)航天科工集團(tuán)藍(lán)箭航天藍(lán)箭航天星河動(dòng)力星際榮耀星際榮耀零壹空間九天微星天儀研究院科研機(jī)構(gòu)天儀研究院中國(guó)科學(xué)院等單位44商業(yè)航天是指按照市場(chǎng)規(guī)則配合技術(shù)、資金、人才等資源要素，采用市場(chǎng)化機(jī)制以獲取商業(yè)利潤(rùn)為首要目標(biāo)而開(kāi)展的航天活動(dòng)?？臻g站人造衛(wèi)星空間站運(yùn)載火箭深空探測(cè)運(yùn)載火箭載人航天核心技術(shù)：較成熟核心技術(shù)：較成熟參考資料來(lái)源：創(chuàng)咖資本圖片來(lái)源：新浪新聞、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院、航天科技集團(tuán)五院、新浪、新京報(bào)www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley55商業(yè)航天市場(chǎng)參與主體商業(yè)航天市場(chǎng)參與主體民營(yíng)企業(yè)“國(guó)家隊(duì)”民營(yíng)企業(yè)中國(guó)科學(xué)院星河動(dòng)力星際榮耀零壹空間九天微星微納星空微納星空銀河航天零重空間氦星光聯(lián)6中國(guó)商業(yè)航天市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈火箭制造火箭制造下游7中國(guó)商業(yè)航天戰(zhàn)略發(fā)展政策推進(jìn)初步導(dǎo)向階段(2014年-2018年)相繼發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會(huì)投資的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015-2025年)》等，明確了支持社會(huì)資本參與航天發(fā)展的態(tài)度立場(chǎng)和主要領(lǐng)域方向，鼓勵(lì)民營(yíng)企業(yè)參與航天領(lǐng)域發(fā)展。實(shí)踐探索階段(2019年-2022年)相繼發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)商業(yè)運(yùn)載火箭規(guī)范有序發(fā)展的通知》、《關(guān)于促進(jìn)微小衛(wèi)星有序發(fā)展和加強(qiáng)安全管理的通知》等，鼓勵(lì)商業(yè)運(yùn)載火箭、微小衛(wèi)星發(fā)展，并就科研、生產(chǎn)、發(fā)射等方面提出管理要求。全面推動(dòng)階段(2023年以來(lái))兩辦發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展的意見(jiàn)》,是我國(guó)首次系統(tǒng)性制定發(fā)布針對(duì)商業(yè)航天發(fā)展頂層政策文件，具有里程碑意m2023年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)提出，打造生物制造、商業(yè)略性新興產(chǎn)業(yè)，北京、上海、重慶、成都等地圍繞推動(dòng)商業(yè)航天發(fā)展、落實(shí)兩辦發(fā)展意見(jiàn)出臺(tái)促進(jìn)空m行動(dòng)方案。"2024年全國(guó)兩會(huì)上，商業(yè)寫(xiě)入政府工作報(bào)告。參考資料來(lái)源：《商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析》8全球主要國(guó)家航天發(fā)射數(shù)量美國(guó)中國(guó)俄國(guó)歐洲俄國(guó)中國(guó)中國(guó)美國(guó)中國(guó)中國(guó)CZ-2D航天科技13CZ-2C航天科技9Ceres-1星河動(dòng)力7CZ-3B航天科技6中國(guó)中國(guó)美國(guó)印度KZ-1A航天科工653印度中國(guó)韓國(guó)CZ-2F航天科技3Chollima-13其他429中國(guó)近年軌道發(fā)射數(shù)量55次航天器數(shù)量：117個(gè)64次航天器數(shù)量：188個(gè)67次100次左右航天器數(shù)量：221個(gè)2023預(yù)計(jì)2023年我國(guó)的火箭發(fā)射任務(wù)次數(shù)及航天器數(shù)量均創(chuàng)下歷史新高。其中，航天科技集團(tuán)完成48次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射航天器總質(zhì)量150.96噸；其他19次發(fā)射為商業(yè)火箭企業(yè)發(fā)射商業(yè)航天發(fā)展迅猛2024全年預(yù)計(jì)實(shí)施100次左右發(fā)射任務(wù)，有望創(chuàng)造新的紀(jì)錄。商業(yè)航天發(fā)展迅猛數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)： 《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書(shū)(2021年)》;《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書(shū)(2022年)》;《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書(shū)(2023年)》 www.3dsciencevalley邦的統(tǒng)計(jì)，中美引領(lǐng)全球太空領(lǐng)域的投資。2013-2022年，美國(guó)投資了1260億美元，占全球總投資的46%;中國(guó)投資了790億美元，占29%。2020-2022年融資事件數(shù)量上，火箭制造、衛(wèi)星制造、衛(wèi)星應(yīng)用均在30個(gè)箭制造(86.38億元)、衛(wèi)星制造(47.01億元)位列前2名。平均融資額上，火箭制造(2億元)、衛(wèi)星制造(1.51億元)較高。數(shù)據(jù)來(lái)源：創(chuàng)業(yè)邦G3Dienreldle通信衛(wèi)星小衛(wèi)星(含微小衛(wèi)星)1664導(dǎo)航衛(wèi)星北斗第三代導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)5-6星基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)620遙感衛(wèi)星大衛(wèi)星83-86小衛(wèi)星(含微小衛(wèi)星)450合計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源：中航證券金融研究所注：對(duì)于火箭發(fā)射需求的測(cè)算不包含科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以及技術(shù)驗(yàn)證www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley12火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參考資料：維基百科、百度百科www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley13火箭發(fā)射成本火箭作為系統(tǒng)工程的三條業(yè)務(wù)流降低火箭的發(fā)射成本就是制約全球航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展最核心的問(wèn)題?；鸺鳛榘l(fā)射服務(wù)的一環(huán)，從立項(xiàng)設(shè)計(jì)到降低火箭的發(fā)射成本就是制約全球航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展最核心的問(wèn)題?；鸺鳛榘l(fā)射服務(wù)的一環(huán)，從立項(xiàng)設(shè)計(jì)到最終發(fā)射是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，每一個(gè)設(shè)計(jì)線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)和測(cè)試線(xiàn)結(jié)合在一起，占一發(fā)火箭首型科研經(jīng)費(fèi)的分系統(tǒng)的制造環(huán)節(jié)，其問(wèn)題源頭都可以追溯到設(shè)計(jì)和系統(tǒng)工程理念方面的問(wèn)題。生產(chǎn)線(xiàn)和測(cè)試線(xiàn)結(jié)合在一起，占一發(fā)火箭首型科研經(jīng)費(fèi)的30%。這兩部分對(duì)降成本的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在同款火箭量產(chǎn)后，但是如果在工藝和測(cè)試領(lǐng)域大幅改動(dòng)，勢(shì)必需要設(shè)計(jì)線(xiàn)的配合，所以綜合來(lái)看，設(shè)計(jì)依然非常關(guān)鍵。參考來(lái)源：艾瑞研究院14液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)投入概況專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量成液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)中文專(zhuān)利總量：982個(gè)。專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量占比前三位的申請(qǐng)人為：西安航天動(dòng)力研究所北京航天動(dòng)力研究所西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量占比專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量占比■西安航天動(dòng)力研究所■北京航天動(dòng)力研究所■西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司■■北京航空航天大學(xué)■藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司■上海空間推進(jìn)研究所■北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利檢索及分析■北京星際榮耀空間科技有限公司■其他數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利檢索及分析衛(wèi)星類(lèi)型遙感衛(wèi)星通信衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星簡(jiǎn)稱(chēng)高度(千米)典型航天器等地球同步軌道GEO36000太陽(yáng)同步軌道地球同步軌道GEO36000太陽(yáng)同步軌道SSO600-800星重量范圍衛(wèi)星類(lèi)型重量范圍大衛(wèi)星小衛(wèi)星微小衛(wèi)星微衛(wèi)星飛衛(wèi)星162023年國(guó)外載人航天發(fā)展概況近地軌道近地軌道共13次發(fā)射任務(wù)載人航天領(lǐng)域“進(jìn)步MS”(ProgressMS)飛船執(zhí)行4次貨運(yùn)任務(wù)亞軌道亞軌道共6次2023年執(zhí)行載人亞軌道飛行任務(wù)6次www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley17中國(guó)載人航天中國(guó)空間站建設(shè)的三個(gè)階段實(shí)驗(yàn)艙|核心艙中國(guó)空間站名為“天宮”,是一個(gè)長(zhǎng)期在近地軌道運(yùn)行的空間實(shí)驗(yàn)室?！疤鞂m”由天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙三艙組成，提供三個(gè)對(duì)接口，支持載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他來(lái)訪(fǎng)航天器的對(duì)接和?？?。必深空探測(cè)-中國(guó)探月工程探月工程一期-“繞”探月工程二期-“落”探月工程三期-“回”2007年10月24日嫦娥一號(hào)繞月探測(cè)2010年10月1日嫦娥二號(hào)繞月探測(cè)2013年12月2日嫦娥三號(hào)軟著路與巡視探測(cè)2018年12月8日嫦娥四號(hào)首次月球背面軟著陸與2020年采樣返回2023-2024年嫦娥六號(hào)月球南極采樣返回參考資料來(lái)源：中國(guó)探月與深空探測(cè)網(wǎng)、中航證券研究所、新華社公開(kāi)信息整理；圖片來(lái)源：百度百科12016年正式批復(fù)立項(xiàng)22020年7月23日天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射32021年2月10日成功實(shí)施火星捕獲42021年2月24日探測(cè)器進(jìn)入火星停泊軌道52021年5月15日天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器成功著陸火星表面www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley航天增材制造應(yīng)用www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley航空航天增材制造應(yīng)用發(fā)展方向航空航天增材制造應(yīng)用發(fā)展方向服役于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的金屬構(gòu)件正朝著復(fù)雜化、一體化、高性能、多功能方向發(fā)展。創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為增材制造構(gòu)件的性能突破和功能躍升創(chuàng)造了條件。增材制造的高柔性為結(jié)構(gòu)成形提供了保障。兩者相輔相成、相得益彰。大型金屬構(gòu)件大型金屬構(gòu)件激光增材制造輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造多功能仿生結(jié)構(gòu)增材制造參考資料：南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、《中國(guó)激光》編委顧冬冬教授，受邀撰寫(xiě)的《航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造》長(zhǎng)篇綜述論文213D打印與輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕質(zhì)金屬材料鈦合金鋁合金鎂合金輕量化的實(shí)現(xiàn)方式塑料纖維復(fù)合材料223D打印與點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)制造很好的控制金屬晶格復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu)的制備。發(fā)泡很好的控制金屬晶格復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu)的制備。發(fā)泡精密鑄造促進(jìn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)從可制造性轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄浴Ｈ源嬖诘奶魬?zhàn)，例如：具有較高表面粗糙度，需經(jīng)過(guò)表面促進(jìn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)從可制造性轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄?。仍存在的挑?zhàn)，例如：具有較高表面粗糙度，需經(jīng)過(guò)表面處理，但缺少針對(duì)性表面處理技術(shù)；對(duì)于建模、優(yōu)化、材料、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步理解。金屬線(xiàn)編織增材制造金屬增材制造點(diǎn)陣應(yīng)用邏輯輕量化輕量化較高比表面積架架多孔結(jié)構(gòu)-仿生力學(xué)二維三維二維點(diǎn)陣點(diǎn)陣構(gòu)肌腱綿曲霉綿曲霉柚子龜三明治喙螺旋海膽馬蹄蛛網(wǎng)骨頭www.3dsciencevalley.c243D打印vs傳統(tǒng)制造工藝的比較邏輯產(chǎn)品生命周期效益生產(chǎn)效益產(chǎn)品生命周期效益減少材料消耗縮短交貨時(shí)間減少材料消耗縮短交貨時(shí)間節(jié)約模具成本降低裝配成本自動(dòng)化的影響更長(zhǎng)的壽命收益市場(chǎng)響應(yīng)速度減少庫(kù)存更好的適應(yīng)性更具吸引力的產(chǎn)品www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley3D打印驅(qū)動(dòng)下一代火箭制造技術(shù)www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley在商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)所覆蓋的主要領(lǐng)域中，火箭制造及發(fā)射，衛(wèi)星制造與運(yùn)營(yíng)是商業(yè)化程度最高的兩個(gè)領(lǐng)域。燃料箱級(jí)間艙火箭制造及發(fā)射：商業(yè)火箭以承接商業(yè)衛(wèi)星或者國(guó)家衛(wèi)星等有效載荷的訂單為主要盈利模式，但是由于中國(guó)特有體制因素國(guó)家衛(wèi)星訂單預(yù)計(jì)不會(huì)是目前商業(yè)火箭的主要收入途徑，因此液體、大推力、可回收火箭(降低發(fā)射成本)燃料箱級(jí)間艙火箭回收技術(shù)促進(jìn)提高火箭利用率，進(jìn)一步降低成本。燃料箱火箭可回收技術(shù)，即從所有退役衛(wèi)星等航天器上回收可用部件，實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。SpaceX公司憑借成熟的火箭回收技術(shù)，“獵鷹9號(hào)”火箭可執(zhí)行多次運(yùn)載任務(wù)，第一次使用全新的火箭進(jìn)行發(fā)射，報(bào)價(jià)為6198萬(wàn)美元，到第10次發(fā)射報(bào)價(jià)為2990萬(wàn)美元，僅為首次報(bào)價(jià)的48.2%,燃料箱資料來(lái)源： 《衛(wèi)星行業(yè)深度報(bào)告系列一：好風(fēng)憑借力，扶搖www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley26可回收火箭技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)對(duì)于最核心的動(dòng)力系統(tǒng)，占全箭成本的70%到80%,所以其他系統(tǒng)無(wú)論采取怎樣的方式降低成本，都不會(huì)對(duì)整枚火箭成本有實(shí)質(zhì)性的影響。而火箭的動(dòng)力系統(tǒng)隨著火箭發(fā)射任務(wù)的結(jié)束，就一次性的消耗掉了，只要不對(duì)一級(jí)火箭進(jìn)行回收，這70%到80%的成本就絕無(wú)降低的可能。動(dòng)力系統(tǒng)是降低成本的關(guān)鍵，可重復(fù)利用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是降低成本的重要因素，大推力火箭可回收價(jià)值更高。根據(jù)SpaceX發(fā)布的數(shù)據(jù)，在技術(shù)進(jìn)一步成熟后，僅一子級(jí)回收多次重復(fù)使用即可降低發(fā)射成本的80%。技術(shù)名稱(chēng)多次啟動(dòng)深度變推力芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣一體化二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火結(jié)構(gòu)件的快捷制造深度推力調(diào)節(jié)反向發(fā)動(dòng)機(jī)柵格舵輔助動(dòng)力系統(tǒng)可實(shí)踐方向研制在此點(diǎn)火系統(tǒng)、大范圍推力調(diào)節(jié)器等圍繞企業(yè)強(qiáng)項(xiàng)開(kāi)展的模塊化設(shè)計(jì)箭再電池的能力需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件3D打印蚱蜢飛行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電腦模擬訓(xùn)練算法參考來(lái)源：艾瑞研究院、山西證券研究所27可回收火箭技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)利用降落傘垂直下降回收航天器的回收方式在動(dòng)力輔助下通航天器的回收方式通過(guò)滑翔飛行達(dá)到水平著陸通過(guò)動(dòng)力反推完成垂直回收參考資料來(lái)源：山西證券研究肝可回收火箭關(guān)鍵技術(shù)可回收火箭關(guān)鍵技術(shù)特殊工藝和復(fù)雜結(jié)構(gòu)則可采用3D打印技術(shù)，減少零件和工藝非必要結(jié)構(gòu)。緩沖著陸技術(shù)緩沖著陸技術(shù)參考資料來(lái)源：《商業(yè)可重復(fù)使用火箭關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新》《中國(guó)航天》2022年第11期293D打印對(duì)火箭制造的革新作用關(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(guān)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的Raptor(猛禽)發(fā)動(dòng)機(jī)為其Starship(星艦)提供動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用1000次。根據(jù)SpaceX的說(shuō)法，其制造過(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。2024年3月14日21:25,SpaceX公司進(jìn)行星艦第主飛。火箭發(fā)射升空后，33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均正常發(fā)動(dòng)?！ば桥炗行лd荷門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉·星艦的受控再入星艦第三次試飛中的發(fā)動(dòng)機(jī)www.3dsciencevalley30下一代可重復(fù)使用3D打印火箭Terran1的發(fā)射提供了非常有價(jià)模型和模擬提供信息和錨定?；赥erran1的設(shè)計(jì)、分析、開(kāi)發(fā)、鑒定、認(rèn)證和飛行測(cè)試方法可以轉(zhuǎn)移到下一代可重復(fù)使用火的Terran1火箭是世界上第一枚3D打印火箭。2023年進(jìn)行的Terran1火箭發(fā)射，首次證明3D打印火箭在結(jié)構(gòu)上是可行的。·設(shè)計(jì)用于數(shù)十個(gè)循環(huán)的3D打印結(jié)構(gòu)和集成一體化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部開(kāi)發(fā)的軟件·結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)聲學(xué)·空氣動(dòng)力學(xué)和空氣熱力學(xué)TerranR火箭將依靠第四代星際之門(mén)3D打印機(jī)和第三代鋁合金生產(chǎn)火箭結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)上考慮了可重復(fù)使用性。早期目的是可重復(fù)使用20火箭一級(jí)的3D打印發(fā)31中國(guó)商業(yè)航天液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的3D打印應(yīng)用舉例并且有在外星原位生產(chǎn)的潛力，能夠較好地滿(mǎn)足商業(yè)化火箭發(fā)射的需求。公司發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)3D打印應(yīng)用造周期藍(lán)箭航天九州云箭凌云發(fā)動(dòng)機(jī)“JD-2”九州云箭凌云發(fā)動(dòng)機(jī)“JD-2”星際榮耀星際榮耀宇航推進(jìn)滄龍一號(hào)推力室和全尺寸渦輪泵零組件的研制液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中大量采用3D打印宇航推進(jìn)圖片來(lái)源：藍(lán)箭航天、九州云箭、鉑力特(上-下前三張圖片為概念圖或示意圖)宇航推進(jìn)、圖片來(lái)源：藍(lán)箭航天、九州云箭、鉑力特(上-下前三張圖片為概念圖或示意圖)宇航推進(jìn)、經(jīng)濟(jì)參考報(bào)；www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley打印應(yīng)用舉例打印應(yīng)用舉例液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為運(yùn)載火箭主動(dòng)力裝置，是大規(guī)模、低成本進(jìn)出空間的首選動(dòng)力裝置，在國(guó)家重大航天運(yùn)載項(xiàng)目、商業(yè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)、重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域占有重要位置，是國(guó)家實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國(guó)的重要保障之一。3D3D打印應(yīng)用級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)天兵科技天龍二號(hào)遙一運(yùn)載火箭機(jī)時(shí)廣泛采用3D級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)天兵科技天龍二號(hào)遙一運(yùn)載火箭深藍(lán)航天航天科技集團(tuán)六院可重復(fù)使用液氧發(fā)動(dòng)機(jī)85%重量為3D深藍(lán)航天航天科技集團(tuán)六院130噸級(jí)重復(fù)使用液氧煤油補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)部分零組件采用3D打印參考資料及圖片來(lái)源：天兵科技、深藍(lán)航天、航天科技集團(tuán)六院33商業(yè)航天火箭研制領(lǐng)域金屬增材制造應(yīng)用舉例公司火箭/發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)3D打印應(yīng)用件朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭引入增材制造思維，對(duì)零減輕了零件重量主捆綁相關(guān)零件，屬于尺寸大、易變形的異形結(jié)構(gòu)零件鉑力特設(shè)備型號(hào)LSF激光立體成形設(shè)備鉑力特在商業(yè)航天方面的用戶(hù)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)30家，鉑力特為這些公司提供了從優(yōu)化設(shè)計(jì)到技術(shù)咨詢(xún)、從零件研制到設(shè)備配套等的全方位支持。鉑力特具備十余年的定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、近十年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、完善的技術(shù)研發(fā)矩陣、久經(jīng)工程檢驗(yàn)的技術(shù)積淀；使用鉑力特的設(shè)備、粉末產(chǎn)品，能夠以完備的產(chǎn)業(yè)配套為商業(yè)航天用戶(hù)實(shí)現(xiàn)快速研制和高效小批量定制零部件。以上3D打印零件圖均為示意圖底圖為：鉑力特智能制造大尺寸設(shè)備廠(chǎng)房工藝工藝傳統(tǒng)的制造工藝需要通過(guò)鍛造生產(chǎn)銅合金坯料，然后對(duì)襯板進(jìn)行多次機(jī)械加工，開(kāi)槽以形成通道，最后通過(guò)電鍍或釬焊等組裝來(lái)封閉通道。最初的增材制造方案由4個(gè)零件組成的設(shè)計(jì)，通過(guò)L-PBF粉末床激光熔融金屬3D打印技術(shù)加工GRCop-84銅襯里，通過(guò)EBW-DED開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)周期18個(gè)月8個(gè)月5個(gè)月改進(jìn)后的增材制造方案由3個(gè)零件組成的設(shè)計(jì)，多合改進(jìn)后的增材制造方案由3個(gè)零件組成的設(shè)計(jì)，多合金加工，包括通過(guò)L-PBF粉末床激光熔融金屬3D打印技術(shù)加工GRCop-84的銅襯里，625襯套。成本31萬(wàn)美金20萬(wàn)美金12.5萬(wàn)美金www.3dsciencevalley35銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用案例的一種具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性的航天增材制造專(zhuān)用銅合金，由于合金中使用了鉻和鈮，最高溫度合金家族目的新型增材制造合金推進(jìn)部件高導(dǎo)電性；溫度強(qiáng)度銅合金高導(dǎo)電性；溫度強(qiáng)度銅合金36液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)-3D打印零件舉例涂NASAHR-1護(hù)套于激光粉末床增材制造的GRCop-42燃燒室(帶內(nèi)部冷卻通道),(e)L-噴嘴襯套?？臻g推進(jìn)領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用3D打印火箭推力室的技術(shù)邏輯3D打印火箭推力室噴注器材料：高溫合金…邏輯：更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)一體化、提升性能…3D打印火箭推力室燃燒室材料：銅合金、高溫合金、復(fù)合材邏輯：帶內(nèi)冷通道的結(jié)構(gòu)、提升性3D打印火箭推力室噴管材料：高溫合金、不銹鋼、超級(jí)合金…外部：碳纖維復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料(MMC)和陶瓷基復(fù)合材料邏輯：雙金屬加工能力、帶內(nèi)冷通道的薄壁結(jié)構(gòu)、提升性能…推力室www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley393D打印燃油噴嘴的應(yīng)用與技術(shù)邏輯更少的零件航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴航天發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴GE燃油噴嘴頭內(nèi)，迷宮一般復(fù)雜的流道將燃油與空氣高效混合，可以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的性能。動(dòng)機(jī)噴嘴頭從原來(lái)的248個(gè)組件減少為僅1個(gè)組件。渦輪燃燒器噴嘴使用傳統(tǒng)制造方法涉及20多個(gè)零件，西門(mén)子鎳基超級(jí)合金3D打印預(yù)混合器部件僅需要兩個(gè)部件組成。蒸汽推進(jìn)鍋爐噴嘴新型功能的霧化器設(shè)計(jì)原型，這些設(shè)計(jì)具有復(fù)雜的通道和不規(guī)則形狀的孔等特征，而這些特征在傳統(tǒng)制造中是不可能生產(chǎn)的。更好的油氣混合www.3dsciencevalley.40空間推進(jìn)領(lǐng)域增材制造挑戰(zhàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層間微裂紋易擴(kuò)展成為的風(fēng)險(xiǎn)較大。裂紋空間推進(jìn)系統(tǒng)需要經(jīng)受振動(dòng)、沖擊、高低溫等點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層間微裂紋易擴(kuò)展成為的風(fēng)險(xiǎn)較大。裂紋精度和致密度目前增材制造的特征分辨率和表面粗糙度尚未達(dá)到精密制造的要求，這不僅需要提升增材制造的成型精度和致密度，更需要開(kāi)發(fā)合適的后處理方法(化銑、電化學(xué)拋光、磨粒流等)才能精度和致密度www.3dsciencevalley41空間推進(jìn)領(lǐng)域3D打印應(yīng)用案例賓夕法尼亞大學(xué)LunarLion團(tuán)隊(duì)將增材制造方法用于月面著陸系統(tǒng)中雙元發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)紋連接并焊在一起，在燃燒室中混合液氧和燃料，然后用安裝在燃燒室另一端的火花撐數(shù)量、成型方向等因素。經(jīng)驗(yàn)證，加工時(shí)間縮短超過(guò)86%,零件數(shù)量減少33%,密封面數(shù)量減少了66%。AerojetRocketdyne公司將增材制造與推力可擴(kuò)展的自流式MON-25推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，將多個(gè)推力器集成到一個(gè)模塊的反作用控制系統(tǒng)中，如圖所示，RC-120是基于ISE-100推力器改進(jìn)的適合增材制造的型號(hào)，采用SLM方法制備一體化噴注器模塊和推力室身部，相比于傳統(tǒng)加工的推力器，雖然損失了20~50s的比沖，但是成本降低了近年來(lái)，遠(yuǎn)地小行星探測(cè)等空間任務(wù)持續(xù)推進(jìn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)壽命和可靠性提出了更高的要求，上?？臻g推進(jìn)研究所先后進(jìn)行了5000N、15000N和20000N火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部的攻關(guān)工作，如圖所示，20000N液氧甲烷軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用增材制造技術(shù)制備了一體化推力室，并完成多次熱試車(chē)考核，真空比沖達(dá)到3560Ns/kg。參考資料來(lái)源：《增材制造技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用》.中國(guó)航天載人飛船發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造應(yīng)用2023年5月30日9時(shí)31分，神舟十六號(hào)載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射。 航天六院西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司將3D打印最新技術(shù)應(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造，推進(jìn)航天液體發(fā)動(dòng)機(jī)研制、生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。此次神舟十六號(hào)載人飛船上，由該公司研制的發(fā)動(dòng)機(jī)隔板夾層內(nèi)流通道的關(guān)鍵構(gòu)件一“加強(qiáng)肋”就是3D打印出來(lái)的。“加強(qiáng)肋”主要用于保證發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性。參考資料來(lái)源：西安航天基地；圖片為神州飛船模擬圖，來(lái)源：文匯報(bào)NASA采用多合金增材制造開(kāi)發(fā)輕質(zhì)可重復(fù)使用推力室組件在專(zhuān)門(mén)針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和噴嘴，增材制造可通過(guò)一次成形制造復(fù)雜的內(nèi)部冷卻流道。當(dāng)前許多增材制造的開(kāi)發(fā)都集中在使用基于粉末床的選區(qū)激光熔化(L-PBF)金屬3D打印技術(shù)上上，不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)目前還受到制造尺寸的局限。(RAMPT)項(xiàng)目的三個(gè)主要目標(biāo)01推進(jìn)定向能量沉積(DED)技術(shù)以制造帶整0202開(kāi)發(fā)復(fù)合外包裝技術(shù)以減輕重量并為推力室組件提供結(jié)構(gòu)室和噴嘴；03開(kāi)發(fā)雙金屬和多金屬增材制造的徑向和軸向接www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley·支持?jǐn)嗔蚜W(xué)分析的斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)·不同工藝的材料性能一致性評(píng)估·潛在材料脫落(多余物)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)典型增材制造工藝45旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(RDRE)相較于傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)主要優(yōu)勢(shì)包括其緊湊的設(shè)計(jì)空間、高熱釋放率以及燃燒的快速完成。這使得燃燒室和噴嘴的幾何形狀可以比當(dāng)前技術(shù)水平短大約40-50%。上圖展示了具有相同超聲速面積比噴管的NASARDRE方案與傳統(tǒng)推力室。該圖直觀(guān)地展示了RDRE發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上的緊湊性。這種設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)對(duì)于未來(lái)的航天任務(wù)，特別是在需要高效率和緊湊布局的深空探索任務(wù)中，具有重要的意義。旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的研制挑戰(zhàn)和噴嘴的實(shí)驗(yàn)性能量化方面開(kāi)展了一系列工作。相關(guān)研究項(xiàng)目旨在通過(guò)集成增材制造-3D打印技術(shù)機(jī)技術(shù)。提高比沖的提高比沖的RDRE噴射器元件RDRE旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的一大技術(shù)挑戰(zhàn)是需要在高壓爆轟通過(guò)噴射器孔口時(shí)減少燃燒產(chǎn)物的回流可能性。耦合的燃燒室腔室和噴射器配置耦合的燃燒室腔室和噴射器配置GRCop-42可以實(shí)現(xiàn)更高的熱導(dǎo)率，腔室配有整體通道，這些通道完全封閉，可以達(dá)到每種推力類(lèi)別所確定的厚度。NASA還開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)封閉壁銅合金襯里的能力，使復(fù)合材料成為腔室護(hù)套作為可行且理想的選擇。燃燒室與噴管耦合燃燒室與噴管耦合研發(fā)人員在GRCop-84銅合金推力室燃燒室的后端直接通過(guò)DED定向能量沉積3D打印技術(shù)加工JBK-75材料制造了燃燒室噴管。噴管。NASANASA開(kāi)發(fā)的L-PBF3D打印RDRE噴射器。左銅合金材料，右圖為Alloy718材料。NASA全尺寸旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)試。在全速運(yùn)行時(shí)，RDRE在平均腔室壓力為622磅/平方英寸的情況下產(chǎn)生超過(guò)4,000磅的推力近一分鐘，這是該設(shè)計(jì)有記錄以來(lái)的最高壓力等級(jí)。超音速臨近空間飛行器探空火箭試驗(yàn)平臺(tái)行飛行器超音速客機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)產(chǎn)品特點(diǎn)·技術(shù)門(mén)檻低·對(duì)火箭控制要求不高·對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求不高·對(duì)產(chǎn)品可靠性要求不高·探空火箭價(jià)格低廉·技術(shù)門(mén)檻高·對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)要求高·對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求低·對(duì)產(chǎn)品可靠性要求高·對(duì)創(chuàng)新能力要求高·試驗(yàn)平臺(tái)價(jià)格較低·技術(shù)門(mén)檻高·對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求高·太空旅游飛機(jī)價(jià)格較高·對(duì)產(chǎn)品可靠性要求高·乘坐體驗(yàn)要求高·運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性要求高·超音速客機(jī)價(jià)格較高應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍常態(tài)化的洲際高速航班運(yùn)輸，2-4小時(shí)完成洲際旅行臨近空間發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力技術(shù)對(duì)比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自帶氧化劑和燃料的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，即不依賴(lài)大氣環(huán)境故能飛往太空，推力更大。吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)自依賴(lài)大氣中的氧氣與自帶的燃料燃燒以產(chǎn)生高速氣流獲得反作用推力，比沖更高，僅能在大氣環(huán)境中運(yùn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介氧化劑、燃料、添加劑混合作為固體推進(jìn)劑的推進(jìn)系統(tǒng)采用液態(tài)化學(xué)物質(zhì)作為能源和工質(zhì)的化學(xué)火箭推進(jìn)系統(tǒng)利用高速氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后提高靜壓并燃燒的推進(jìn)系統(tǒng)在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上 增加燃燒效率的推進(jìn)系統(tǒng)參考資料：《組合動(dòng)力空天飛行器關(guān)鍵技術(shù)》、iReseachInc.發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)推力大，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，但工作時(shí)重復(fù)啟動(dòng)困難比沖高于固發(fā)，推力可調(diào)，可脈沖工作，為重復(fù)使用帶來(lái)可能，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，推重比大，適合高空高速飛行；但無(wú)法低速自啟動(dòng)但不支持高超音速運(yùn)行www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley高性能材料高性能材料渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印超音速飛機(jī)技術(shù)邏輯碳纖維零件碳纖維：輕量化結(jié)構(gòu)件陶瓷零件陶瓷：一類(lèi)是大、非常輕量級(jí)的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)，可以用于飛機(jī)和航天器的耐熱板及其他外部部件。一類(lèi)是小但復(fù)雜零件用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的機(jī)電系統(tǒng)金屬陶瓷連續(xù)體金屬陶瓷：用于蒙皮等結(jié)構(gòu)件，可以是微觀(guān)結(jié)構(gòu)梯度，例如孔隙度或纖維增強(qiáng)的梯度，也可以是分級(jí)的原子順性梯度。金屬零件金屬：3D打印超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎全部的零件，3D打印熱混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中防止結(jié)冰的推進(jìn)劑注射器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)部件等等。金屬零件(12個(gè)零件)NACA導(dǎo)管(4套組件)外部排氣窗板中央排氣窗板(2個(gè)零件)結(jié)構(gòu)部件(2個(gè)零件)排氣導(dǎo)管(1個(gè)零件)圖片來(lái)源：國(guó)際航空作者：張嘯雨劉暢施麗銘蔣旭東作者：張嘯雨劉暢施麗銘蔣旭東醒力堂了報(bào)2024年03月07B程網(wǎng)首頁(yè)!副會(huì)煙編要命1都檢前!調(diào)5F2022,Vol.43=lssue(5)551-563:DO1:10.19636/).crki.cjsm42-1250/03,2蒙皮點(diǎn)陣一體化支撐結(jié)構(gòu)的移動(dòng)可變形組件優(yōu)化設(shè)計(jì)及空間站應(yīng)用[摘要][摘要]中國(guó)空間站是我國(guó)研制的系統(tǒng)最為復(fù)雜的載人航天器，其中有效載荷支撐結(jié)構(gòu)的高效輕量化設(shè)計(jì)是工程研制過(guò)程中遇到的技術(shù)難題.論文介紹了受晶體對(duì)稱(chēng)性啟發(fā)的增材制造自支撐三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了基于蒙皮點(diǎn)陣一體化結(jié)構(gòu)形式的移動(dòng)可變形組件(MMC)拓?fù)鋬?yōu)化方法，完成了面向增材制造的中國(guó)空間站某相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)采用激光選區(qū)熔化成形(SLM)工藝制造，通過(guò)了力學(xué)試驗(yàn)考核，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重50%,基頻提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮點(diǎn)陣一體化結(jié)構(gòu)在我國(guó)載人航天領(lǐng)域的首次型號(hào)應(yīng)用與在軌驗(yàn)證.www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley米級(jí)點(diǎn)陣填充薄壁結(jié)構(gòu)米級(jí)點(diǎn)陣填充薄壁結(jié)構(gòu)Meter-ScaleThin-WalledStructurewithLatticeInfiXiaoyuZhang2,HuizhongZeng,ShaohuiZhang,YanZhan輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將自支撐點(diǎn)陣集成到薄壁的厚度優(yōu)化中，為衛(wèi)星的燃油箱支撐部件設(shè)計(jì)了一種具有點(diǎn)陣填充的米級(jí)薄壁結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用SLM成形AlSi10Mg和冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)制造。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的大型點(diǎn)陣薄壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用點(diǎn)陣填充的米級(jí)薄壁結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足大多數(shù)航天器的尺寸和輕量化要求。53大尺寸WAAM增材制造衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)件Movingmorphablecomponoptimumapproachcon(a)Storagetanksupportstructurefabric中國(guó)空間技術(shù)研究院等單位的研究團(tuán)隊(duì)提的可控制結(jié)構(gòu)連通性的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法使用具有明確幾何參數(shù)的增強(qiáng)組件作為拓?fù)鋬?yōu)化的基元。該方法解決了快速設(shè)計(jì)復(fù)雜幾何筋條、形成清晰傳力路徑的難題，有效降低了電弧增材制造(WireArcAdditiveMa弧/熄弧過(guò)程相關(guān)工藝約束帶來(lái)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化挑戰(zhàn)。采用該方法設(shè)計(jì)了某大型衛(wèi)星該結(jié)構(gòu)為航天器領(lǐng)域首次采用WAAM工藝制造。該結(jié)構(gòu)通過(guò)了力學(xué)試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了31.6%的減重。www.3dsciencevalley.c54鎳-銅多材料增材制造探索鎳基和銅基合金多材料增材制造燃燒室部件SLMSolutions研究了兩種任意合金粉末的多材料增材制造工藝，該工藝的探索基于粉末床選區(qū)激光熔融增材制造設(shè)備。雙方展望了多材料金屬增材制造的應(yīng)用前景，其中一個(gè)探索領(lǐng)域是鎳基合金-銅基合金多材料火箭燃燒室制造。燃燒室面臨高熱負(fù)荷，但也需要盡可能輕量化。燃燒室的性能越好，火箭性能就越好，產(chǎn)生同樣推力的推進(jìn)器質(zhì)量越小，就能向客戶(hù)提供更多的有效運(yùn)輸載荷。因此，增加的火箭制造成本可能會(huì)因攜帶更多載荷產(chǎn)生的效益而被抵消。在多材料增材制造燃燒室中，鎳基合金作為腔體的耐熱基底，而內(nèi)部銅基區(qū)域能提高組件的熱傳導(dǎo)能力。www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley55航天電子領(lǐng)域增材制造研究ESA歐洲航天局正在積極的推進(jìn)通過(guò)3D辟了柔性電子新的設(shè)計(jì)維度，允許創(chuàng)建新穎的堆疊或嵌入式集成電路。麻省理工學(xué)院的研究人員展示了一種用于軌道航天器的3D打印等離子體傳感器，這些耐用、精確的傳感器可以有效地用于被稱(chēng)為CubeSats的輕型衛(wèi)星上，這些衛(wèi)星通常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)或天氣預(yù)報(bào)。麻省理工開(kāi)發(fā)的3D打印傳感器可以在幾天內(nèi)以數(shù)十美元的價(jià)格生產(chǎn)出來(lái)。56太空微重力3D打印研究NASANASA和ESA歐洲航天局的研究項(xiàng)目重點(diǎn)是太空中(歐洲航天局)的一個(gè)項(xiàng)目正在測(cè)試微重力下小型這項(xiàng)調(diào)查讓歐洲航天局初步了解了這種3D打印機(jī)在NASA太空非晶金屬制造(MSLSCA-材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。太空非晶金屬制造(MSLSCA-鈮銅鎳鋁(ZrNbCuNiAl)和鎢球增強(qiáng)銅鋯鋁鈷(CuZrAlCo)的金屬玻璃形成合金進(jìn)行半固態(tài)固持。主要科學(xué)目標(biāo)是研究在存在和不存在重力驅(qū)動(dòng)沉降的情況下金屬玻璃合金中鎢基相的擴(kuò)散和再沉淀。樣品安裝在國(guó)際空間站(ISS)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司抓總研制的新一代載人飛船試驗(yàn)船按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了在軌正常飛行。新飛船試驗(yàn)船返回艙搭載自主完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣件打印，驗(yàn)證了微重力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。57使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)DED3D打印過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制結(jié)合人工智能驅(qū)動(dòng)的控制，3D打印Stargate3D打印機(jī)不斷優(yōu)化生產(chǎn)，從而以指數(shù)方式提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低成本，并實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)航空航天制造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個(gè)子類(lèi)別，被定義為使用算法檢查數(shù)據(jù)并隨后識(shí)別模式或確定解決方案的系統(tǒng)或軟件。RelativitySpace專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)了使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley衛(wèi)星制造3D打印應(yīng)用58結(jié)構(gòu)件減重應(yīng)用：射頻濾波器、整星結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星外殼等結(jié)構(gòu)件減重3D打印拓?fù)鋬?yōu)化、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用：衛(wèi)星支架、調(diào)節(jié)微波濾波器的驅(qū)動(dòng)器支架等高強(qiáng)度特殊零件高強(qiáng)度高附加值應(yīng)用：下一代衛(wèi)星光學(xué)鏡面、感高附加值應(yīng)器、電子結(jié)構(gòu)件等動(dòng)力部件輕量化節(jié)約燃料動(dòng)力部件輕量化節(jié)約燃料應(yīng)用：塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)等 由上-下；由左-右依次是www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件金屬增材制造應(yīng)用案例2023年5月10日，由火箭院抓總研制的長(zhǎng)征七號(hào)遙七運(yùn)載火箭(托舉天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船點(diǎn)火升空，順利將飛船送入預(yù)定軌道。由星眾空間、鉑力特等眾多企業(yè)協(xié)助研制、大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)研制的感衛(wèi)星搭載飛船飛向太空。鉑力特負(fù)責(zé)衛(wèi)星部署器框架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和3D打印生產(chǎn)工作。上圖為部署器框架示意2024年2月3日，智星二號(hào)A星(濟(jì)高科創(chuàng)號(hào))搭載捷龍三號(hào)遙三運(yùn)載火箭順利進(jìn)入預(yù)定軌道。智星二號(hào)A星是智星空間自主研發(fā)的、采用星載一體化設(shè)計(jì)的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。整星結(jié)構(gòu)由航天五院總體設(shè)計(jì)部負(fù)責(zé)研制。鉑力特3D打印了1件衛(wèi)星星體結(jié)構(gòu)和3件陣面板結(jié)構(gòu)。其中陣面板結(jié)構(gòu)外形尺寸為1300mm×980mm×20mm,星體結(jié)構(gòu)外形尺寸1300mm×1126mm×335mm,是目前國(guó)內(nèi)在軌應(yīng)用的最大的3D打印衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。www.3dsciencevalley.2019年8月17日，千乘一號(hào)微小衛(wèi)星發(fā)射成功。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(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以?xún)?nèi)，整星頻率提高至制備周期縮短至1個(gè)月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過(guò)500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸。www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley61衛(wèi)星制造3D打印應(yīng)用舉例嫦娥四號(hào)中繼星(又稱(chēng)鵲橋)的3D打印產(chǎn)品采用拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型，結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，重量大幅降低。以星敏感器支架為例，如果采用傳統(tǒng)的設(shè)嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星安裝了鋁合金3D打印斜裝動(dòng)量輪支架，實(shí)現(xiàn)減基于增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)的拓?fù)漭p量化支架產(chǎn)品目前已在多個(gè)宇航型號(hào)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其較傳統(tǒng)鑄造和機(jī)加工制造支架可減重20%~50%,且制造工序簡(jiǎn)化，周期短，滿(mǎn)足了型號(hào)短周期研制的快速響應(yīng)制造需求，是航天支架62衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用FraunhoferIWS和德累斯頓工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)了一種增材制造3D打印塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油噴射器、燃燒室和噴管是采用激光選區(qū)熔融3D打印技術(shù)制造的。噴管由尖峰狀中心體組成，該設(shè)計(jì)旨在加速氣體燃燒。該發(fā)動(dòng)機(jī)用于微型衛(wèi)星發(fā)射器，其有效載荷可達(dá)350公斤。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這款發(fā)動(dòng)機(jī)在輕量化和燃料節(jié)省方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。3D3D打印塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)有望比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省約30%的燃料。主要得益于兩個(gè)方面的原因，一方面是設(shè)計(jì)上的緊湊性，使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減輕，而每一克重量的減輕，都對(duì)航天器具有重要意義，因?yàn)檫@意味著所需的發(fā)射燃料減少和有效載荷的提高。此外，3D打印的噴管，更好地適應(yīng)了從地球到軌道的不斷變化的壓力，有助于提高效率，與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃燒的燃料更少。洛克達(dá)因公司開(kāi)發(fā)的洛克達(dá)因公司開(kāi)發(fā)的MPS-120是首個(gè)通過(guò)3D打印的肼推進(jìn)系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)用于為立方體衛(wèi)星提供動(dòng)力，而該系統(tǒng)以前無(wú)法用于這些微型衛(wèi)星。MPS-120系統(tǒng)包括3D打印的鈦合金活塞、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱和增壓室。MPS-120可以兼容肼類(lèi)推進(jìn)劑和綠色推進(jìn)劑。MPS-120的整個(gè)系統(tǒng)與www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley深空探測(cè)3D打印應(yīng)用金金屬3D打印關(guān)鍵部件助力中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸與巡視善芒興41--十-米“印專(zhuān)用材料研發(fā)、3D打印專(zhuān)用裝備研制及制造工藝開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)。項(xiàng)目突破了基于金屬3D打印的極致輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)，解決了深空探測(cè)器復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的輕量化設(shè)計(jì)、功能集成與整體制造難題。完成了祝融號(hào)火星車(chē)相變儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)及承載結(jié)構(gòu)合計(jì)30余套關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與正樣應(yīng)用。大幅減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品減重40%~60%,研制周期縮短50%。上述金屬3D打印部件在天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器及祝融號(hào)火星車(chē)的成功應(yīng)用， 體現(xiàn)了金屬3D打印先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)于我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有標(biāo)志性意義?！B接角盒結(jié)構(gòu)來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley材料形態(tài)成型技術(shù)材料外觀(guān)定向能量沉積金屬粉末金屬粉末金屬絲金屬箔增材制造過(guò)程LaserPBF激光粉末床熔融ElectronBeamPBF電子束粉末床熔融LaserPowderDED激光粉末定向能量沉積Laser-WireDED激光熔絲UltrasonicAM超聲波增材制造材料-不熔化固態(tài)金屬棒AdditiveFrictionStirDeposition攪拌摩擦焊金屬粉末ColdSpray冷噴涂www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley冷噴涂增材制造技術(shù)特點(diǎn)-由于高氣體消耗，特別是氦氣，成本高挑戰(zhàn)-由于高氣體消耗，特別是氦氣，成本高挑戰(zhàn)-硬脆材料效率低下-目前冷噴涂主要用于金屬、陶瓷、聚合物以及金屬基體和陶瓷復(fù)合材料。CS的進(jìn)一步改進(jìn)允許更大范圍的粒氣、氦氣和氮?dú)馐荂S中常用的氣體。前景應(yīng)用-冷噴涂涂層，例如NiCrAlY-改善涂層的機(jī)械性能和疲勞壽命-不排放有毒煙霧-保留粒子的初始相-無(wú)需單獨(dú)的基材表面處理(噴砂)-高硬度、低凝固應(yīng)力、厚涂層-涂覆不同金屬時(shí)不會(huì)形成金屬間化合物-低缺陷和氧化-更快的粉末進(jìn)料速度和100%的顆粒重復(fù)使用-高密度、硬度和低孔隙率-精確控制氣體溫度-由于沒(méi)有高溫粒子射流，提高了操作安全性 能夠在短時(shí)間內(nèi)以低成本-羥基磷灰石 能夠在短時(shí)間內(nèi)以低成本修復(fù)原位部件，而不會(huì)破壞周?chē)慕Y(jié)構(gòu)，這促使成為修復(fù)由鎂、鈦和高溫的新醫(yī)學(xué)研究鋪平道路。修復(fù)原位部件，而不會(huì)破壞周?chē)慕Y(jié)構(gòu)，這促使成為修復(fù)由鎂、鈦和高溫合金等材料制成的汽車(chē)和智能結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)、光伏…合金等材料制成的汽車(chē)和智能結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)、光伏…潛在應(yīng)用。www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley常見(jiàn)缺陷常見(jiàn)原因潛在影響殘余應(yīng)力層間結(jié)合不充分粉末沉積不當(dāng)www.3dsciencevalley.68人工智能用于3D打印過(guò)程控制增材制造過(guò)程監(jiān)測(cè)熱熱光聲音機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練及證實(shí)輸出t分層：10.9%其他：0.2%www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley基于激光的金屬增材制造中使用的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的徑向圖基于激光的金屬增材制造中使用的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的徑向圖內(nèi)圈表示要監(jiān)控的信號(hào)類(lèi)型，外圈表示監(jiān)控進(jìn)程所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)信號(hào)類(lèi)型可見(jiàn)光發(fā)射聲波hem/hem/e人人1magingLaserBreakdownSpectrOscopy實(shí)施技術(shù)產(chǎn)生的聲傳輸羽流光譜監(jiān)測(cè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜產(chǎn)生的聲傳輸羽流光譜監(jiān)測(cè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜同步加速器X射線(xiàn)成像渦流探傷光電二極管監(jiān)測(cè)紅外成像熱電偶高溫計(jì)連續(xù)錄像連續(xù)錄像靜幀成像光學(xué)相干斷層掃描參考資料：htps//link.springercom/article/10.1007s1084www.3dsciencevalley顯示的數(shù)據(jù)是近似值，實(shí)際PBF打印過(guò)程中的加工參數(shù)、加工過(guò)程、構(gòu)建方向會(huì)影響最終構(gòu)建結(jié)果，此表僅供參考。打印結(jié)果熱處理后打印結(jié)果熱處理后打印結(jié)果熱處理后不銹鋼不銹鋼www.3dsciencevalleywww.3dsciencevalley航天應(yīng)用新型增材制造鋁合金航天應(yīng)用新型增材制造鋁合金NASA馬歇爾太空飛行中心進(jìn)行了3D打印噴管的熱火測(cè)試，該噴管由新型鋁合金6061-RAM2制成，可承受巨大的溫度梯度。這種噴管比傳統(tǒng)噴管更輕，為可攜帶更多有效載荷的深空飛行奠定了基礎(chǔ)。NASA的鋁合金噴管是一種新的突破，由于鋁對(duì)極熱的耐受性較低且在焊接過(guò)程中容易破裂，因此此前，鋁通常不用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件的增材制造。該項(xiàng)目的目的是專(zhuān)注于推進(jìn)輕質(zhì)、增材制造的鋁制火箭噴管。噴管設(shè)計(jì)有小的內(nèi)部通道，使噴管保持足夠涼爽以防止熔化。NASA和Elementum3D首先開(kāi)發(fā)了名為A6061-RAM2的新型鋁合金，用于構(gòu)建噴管，另一個(gè)商業(yè)合作伙伴RPMInnovations(RPMI),通過(guò)LP-DED激光粉末定向能量沉積工藝制造RAMFIRE噴管。這種新型合金可以在制造能夠承受高結(jié)構(gòu)載荷的輕型火箭部件方面發(fā)揮重要作用。下一代太空推進(jìn)應(yīng)用的極端環(huán)境增材制造合金ODSODS超合金超合金超合金鈦及鈦合金的優(yōu)異性能特點(diǎn)具體介紹密度小、比強(qiáng)度高密度為4.51g/cm3,約為銅的50%,低碳鋼的57%,而比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度/密度)非常高耐腐蝕性耐高溫、低溫新型鈦合金可在600℃或更高溫度長(zhǎng)期使用，也可在-196~253℃低溫下保持較好的延