從首顆人造衛星到一箭三星，從無人試驗飛船到航天員太空出艙，從探測器繞月飛行到月球背面軟著陸……中國航天事業正大步邁向國際最前沿。在幾十年的發展歷程中，眾多的新技術被應用到航天領域，推動了中國航天事業的快速發展，這裡面不乏3D打印技術的身影。時值第五個中國航天日，本期，3D打印技術參考帶領大家回顧2019年國內航天領域增材製造的應用情況。
4月24日，我國第一顆人造地球衛星東方紅一號進入太空整整50週年
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
2019年3月，中國航天科技集團有限公司一院211廠完成首批長征五號系列運載火箭芯級捆綁支座的批生產。長五系列芯級捆綁支座是我國首個採用全3D打印的米級關鍵承力構件。進入批生產前，產品順利通過靜力試驗，試驗全面考核了飛行狀態下的產品性能。
捆綁支座為運載火箭主承力構件，綜合力學性能要求高，此前主要採用加工性能較好的高強鋼，通過鍛造再機加的方式成形。但這一加工方式存在材料去除量大、加工週期長等問題。
長征五號遙三火箭於2019年12月27日成功發射
面對新型號減重的迫切需求，該廠於2016年提出採用具有更高比強度的鈦合金材料，利用激光同步送粉3D打印工藝，實現捆綁支座的整體成形。經過系統工藝研究，該廠試製的產品順利通過了成分、組織性能、表面質量及內部質量等各類檢測，整體綜合性能達到鍛件水平，且較原設計減重30%。
激光同步送粉3D打印技術，不僅實現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構設計與製造，提供了強有力的技術支撐。
2. 航天科技八院149廠增材製造技術通過審查
2019年6月，149廠核心專業建設空間增材製造技術通過立項審查。隨後，該廠還就複合材料絲材的製備、打印過程中的送絲方式、如何保證工件的層間強度以及絲材的編織等方面進行了研討，為後續工作的開展奠定了基礎。
3. 國際首個3D打印全點陣整星結構成功入軌
2019年8月，航天一院捷龍一號遙一火箭在酒泉衛星發射中心成功將“千乘一號01星”衛星送入預定軌道。千乘一號衛星主結構是目前國際首個基於3D打印點陣材料的整星結構，千乘一號衛星入軌運行穩定，標誌著用於航天器主承力結構的3D打印三維點陣結構技術成熟度達到九級，即實際系統成功完成使用任務。
整星結構示意圖
千乘一號整星結構採用面向增材製造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計，並通過鋁合金增材製造技術一體化製備。傳統微小衛星結構重量佔比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛星的整星結構重量佔比降低至15%以內，整星頻率提高至110Hz，整星結構零部件數量縮減為5件，設計及製備週期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸，也是目前最大的增材製造一體成形衛星結構。
千乘一號小衛星結構由航天五院總體部機械系統事業部負責研製。航天五院總體部機械系統事業部是我國航天器空間機械產品研製的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結構設計與評價方面開展了大量的研究工作，突破了基於三維點陣材料的整體結構設計技術。
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打印噴管隨發動機地面熱試車成功。該臺噴管金屬承載件所採用的3D打印成型技術是一種快速、簡便、無模具的加工方式，這也是該院首次將3D打印技術應用於地面試驗產品，驗證了3D打印金屬件在較高壓強下的承載性能和工作可靠性，為後續型號試驗奠定了堅實的基礎。
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，由航天科技集團六院11所主導研製的首個高溫合金3D打印氧泵離心輪成功通過試車考核。
據瞭解，液氧煤油發動機渦輪氧泵離心輪轉速高、負載大，處於惡劣低溫液氧環境，承受著低溫引起的材料性能變化、離心力、流體液動力、轉子強迫振動力等，直接影響到發動機的可靠性。
目前，國外大推力液體火箭發動機氧泵離心輪常採用高溫鎳基合金粉末冶金製造方案，然而國內對於該工藝的研究較少。
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所渦輪泵設計人員聯合六院增材製造中心，提出了3D打印氧泵離心輪製造方案，並制定了詳細的研製計劃，對性能測試、對比驗證、超轉試驗等研究項目進行了攻關。
經過近一年的研製、試驗和仿真分析，項目團隊攻克了3D打印工藝、低溫高強度高韌性熱處理制度等難題，進行了超轉試驗驗證，首件產品通過了試車考核。
6. 深藍航天3D打印發動機推力室長程試車成功
2019年10月，民營航天企業深藍航天對液氧煤油發動機進行推力室長程試車，試驗取得圓滿成功。（長征五號助推器發動機也採用液氧煤油）
此次試車的發動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件採用金屬3D打印製造，內部有百餘條冷卻流道，使用傳統工藝銑削和焊接工藝不僅製造週期長、成本高，零件性能也難以得到保證。
鉑力特在承擔此次任務中嚴格控制工藝，保證零件外形尺寸、流道精度及粗糙度，同時零件加工週期縮短至2-3周。採用3D打印工藝製造的推力室，實現了國內液氧煤油火箭發動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。
7. 藍箭航天：國內唯一多噴管液氧甲烷火箭發動機全系統熱試車成功
2019年11月30日，藍箭航天“天鵲”10噸級液氧甲烷發動機（TQ-11）全系統熱試車成功。TQ-11系國內現有唯一多噴管液氧甲烷火箭發動機，是朱雀二號液體運載火箭的二級遊動發動機。
TQ-11推力室噴管
據藍箭航空介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發動機在製造過程中均廣泛採用3D打印技術，其中燃燒室身部都採用3D打印一體成型，降低了研發成本和製造週期，而且更容易量產。在此次試車之前，該發動機已於今年1月完成燃氣發生器熱試車，7月完成推力室試車考核，9月完成半系統試車。
8. 航天529廠助力我國實現多材料、多結構、多工藝、多型號3D打印產品在軌應用
2019年12月27日，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發射場將實踐二十號衛星順利送入預定軌道，任務獲得圓滿成功。此前的12月20日，長征四號乙運載火箭在太原衛星發射中心，成功執行“一箭九星”任務。在這連續2次發射任務中，實踐二十號衛星、中巴地球資源04A衛星、“天琴一號”技術試驗衛星上均搭載了529廠採用3D打印技術研製的多種複雜形狀結構產品。
“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構產品、鈦合金激光送粉3D打印產品、鈦合金激光鋪粉3D打印產品首次實現在軌應用。這是繼去年嫦娥四號中繼星後，529廠3D打印技術取得的又一重大型號應用成果。
END
此前，我們已經看到很多國外航天企業大膽嘗試3D打印技術的案例，而且絕大部分涉及推力室製造和衛星結構的3D打印。由於這一技術的先進性，國內的研發和嘗試一直在緊鑼密鼓的進行中。我們相信，本篇內容所展示的僅僅是國內所有航天應用的一部分，更多的實踐我們可能並未知曉。相比於國外，我們並未落後於他人，甚至在有些地方遙遙領先。2019年已經過去，2020年的3D打印技術應用將更加深入和精彩。
注：本文部分內容來自中國航天科技集團。江蘇激光聯盟轉載自：中國航天 3D打印技術參考從首顆人造衛星到一箭三星，從無人試驗飛船到航天員太空出艙，從探測器繞月飛行到月球背面軟著陸……中國航天事業正大步邁向國際最前沿。在幾十年的發展歷程中，眾多的新技術被應用到航天領域，推動了中國航天事業的快速發展，這裡面不乏3D打印技術的身影。時值第五個中國航天日，本期，3D打印技術參考帶領大家回顧2019年國內航天領域增材製造的應用情況。
4月24日，我國第一顆人造地球衛星東方紅一號進入太空整整50週年
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
2019年3月，中國航天科技集團有限公司一院211廠完成首批長征五號系列運載火箭芯級捆綁支座的批生產。長五系列芯級捆綁支座是我國首個採用全3D打印的米級關鍵承力構件。進入批生產前，產品順利通過靜力試驗，試驗全面考核了飛行狀態下的產品性能。
捆綁支座為運載火箭主承力構件，綜合力學性能要求高，此前主要採用加工性能較好的高強鋼，通過鍛造再機加的方式成形。但這一加工方式存在材料去除量大、加工週期長等問題。
長征五號遙三火箭於2019年12月27日成功發射
面對新型號減重的迫切需求，該廠於2016年提出採用具有更高比強度的鈦合金材料，利用激光同步送粉3D打印工藝，實現捆綁支座的整體成形。經過系統工藝研究，該廠試製的產品順利通過了成分、組織性能、表面質量及內部質量等各類檢測，整體綜合性能達到鍛件水平，且較原設計減重30%。
激光同步送粉3D打印技術，不僅實現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構設計與製造，提供了強有力的技術支撐。
2. 航天科技八院149廠增材製造技術通過審查
2019年6月，149廠核心專業建設空間增材製造技術通過立項審查。隨後，該廠還就複合材料絲材的製備、打印過程中的送絲方式、如何保證工件的層間強度以及絲材的編織等方面進行了研討，為後續工作的開展奠定了基礎。
3. 國際首個3D打印全點陣整星結構成功入軌
2019年8月，航天一院捷龍一號遙一火箭在酒泉衛星發射中心成功將“千乘一號01星”衛星送入預定軌道。千乘一號衛星主結構是目前國際首個基於3D打印點陣材料的整星結構，千乘一號衛星入軌運行穩定，標誌著用於航天器主承力結構的3D打印三維點陣結構技術成熟度達到九級，即實際系統成功完成使用任務。
整星結構示意圖
千乘一號整星結構採用面向增材製造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計，並通過鋁合金增材製造技術一體化製備。傳統微小衛星結構重量佔比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛星的整星結構重量佔比降低至15%以內，整星頻率提高至110Hz，整星結構零部件數量縮減為5件，設計及製備週期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸，也是目前最大的增材製造一體成形衛星結構。
千乘一號小衛星結構由航天五院總體部機械系統事業部負責研製。航天五院總體部機械系統事業部是我國航天器空間機械產品研製的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結構設計與評價方面開展了大量的研究工作，突破了基於三維點陣材料的整體結構設計技術。
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打印噴管隨發動機地面熱試車成功。該臺噴管金屬承載件所採用的3D打印成型技術是一種快速、簡便、無模具的加工方式，這也是該院首次將3D打印技術應用於地面試驗產品，驗證了3D打印金屬件在較高壓強下的承載性能和工作可靠性，為後續型號試驗奠定了堅實的基礎。
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，由航天科技集團六院11所主導研製的首個高溫合金3D打印氧泵離心輪成功通過試車考核。
據瞭解，液氧煤油發動機渦輪氧泵離心輪轉速高、負載大，處於惡劣低溫液氧環境，承受著低溫引起的材料性能變化、離心力、流體液動力、轉子強迫振動力等，直接影響到發動機的可靠性。
目前，國外大推力液體火箭發動機氧泵離心輪常採用高溫鎳基合金粉末冶金製造方案，然而國內對於該工藝的研究較少。
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所渦輪泵設計人員聯合六院增材製造中心，提出了3D打印氧泵離心輪製造方案，並制定了詳細的研製計劃，對性能測試、對比驗證、超轉試驗等研究項目進行了攻關。
經過近一年的研製、試驗和仿真分析，項目團隊攻克了3D打印工藝、低溫高強度高韌性熱處理制度等難題，進行了超轉試驗驗證，首件產品通過了試車考核。
6. 深藍航天3D打印發動機推力室長程試車成功
2019年10月，民營航天企業深藍航天對液氧煤油發動機進行推力室長程試車，試驗取得圓滿成功。（長征五號助推器發動機也採用液氧煤油）
此次試車的發動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件採用金屬3D打印製造，內部有百餘條冷卻流道，使用傳統工藝銑削和焊接工藝不僅製造週期長、成本高，零件性能也難以得到保證。
鉑力特在承擔此次任務中嚴格控制工藝，保證零件外形尺寸、流道精度及粗糙度，同時零件加工週期縮短至2-3周。採用3D打印工藝製造的推力室，實現了國內液氧煤油火箭發動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。
7. 藍箭航天：國內唯一多噴管液氧甲烷火箭發動機全系統熱試車成功
2019年11月30日，藍箭航天“天鵲”10噸級液氧甲烷發動機（TQ-11）全系統熱試車成功。TQ-11系國內現有唯一多噴管液氧甲烷火箭發動機，是朱雀二號液體運載火箭的二級遊動發動機。
TQ-11推力室噴管
據藍箭航空介紹，公司旗下TQ-11和TQ-12發動機在製造過程中均廣泛採用3D打印技術，其中燃燒室身部都採用3D打印一體成型，降低了研發成本和製造週期，而且更容易量產。在此次試車之前，該發動機已於今年1月完成燃氣發生器熱試車，7月完成推力室試車考核，9月完成半系統試車。
8. 航天529廠助力我國實現多材料、多結構、多工藝、多型號3D打印產品在軌應用
2019年12月27日，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發射場將實踐二十號衛星順利送入預定軌道，任務獲得圓滿成功。此前的12月20日，長征四號乙運載火箭在太原衛星發射中心，成功執行“一箭九星”任務。在這連續2次發射任務中，實踐二十號衛星、中巴地球資源04A衛星、“天琴一號”技術試驗衛星上均搭載了529廠採用3D打印技術研製的多種複雜形狀結構產品。
“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構產品、鈦合金激光送粉3D打印產品、鈦合金激光鋪粉3D打印產品首次實現在軌應用。這是繼去年嫦娥四號中繼星後，529廠3D打印技術取得的又一重大型號應用成果。
END
此前，我們已經看到很多國外航天企業大膽嘗試3D打印技術的案例，而且絕大部分涉及推力室製造和衛星結構的3D打印。由於這一技術的先進性，國內的研發和嘗試一直在緊鑼密鼓的進行中。我們相信，本篇內容所展示的僅僅是國內所有航天應用的一部分，更多的實踐我們可能並未知曉。相比於國外，我們並未落後於他人，甚至在有些地方遙遙領先。2019年已經過去，2020年的3D打印技術應用將更加深入和精彩。
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