3D打印Aerospike气动火箭发动机
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 强大的算法

根据3D科学谷，3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，这条赛道上随着越来越多的新加入者，竞争会愈发激烈，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的火箭制造3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

这款 Aerospike 火箭发动机展示了将软件算法的强大功能与世界上最先进的3D打印-增材制造系统相结合的可能性。

长期以来，人们一直在尝试制造气动火箭发动机，与传统的钟形喷嘴设计相比，气动火箭发动机具有显着优势Aerospike发动机是一种火箭发动机，可在广泛的高度范围内保持其空气动力学效率。属于高度补偿喷嘴发动机类。

Aerospike发动机在低空下使用25-30％的燃料，其中大多数任务对于推力都是最大的需求。Aerospike发动机是火箭领域的巨大进步，即使是一小部分的百分点也值得追求。挑战总是在极热的废气中间冷却尖峰。

创造一个可以为宇宙飞船提供动力的可靠工作引擎，这需要多次迭代 – CAD 中的迭代非常复杂，尤其是对于复杂的设计，这就是 Hyperganic Core 创成式设计和算法工程发挥作用的地方。

这个Aerospike引擎设计是有效的，它建立在空间硬件工程的最新知识之上，并结合了用于Hyperganic热交换器设计的 知识体系。Aerospike 概念已广为人知且易于理解。第一个设计出现在 1960 年代和 70 年代，但当时NASA 不得不选择传统的钟形喷嘴，因为Aerospike 的设计中使用传统的工程和制造技术来冷却尖峰是不可能的。

3D打印热交换器的优势
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在某种程度上，Aerospike 需要是一个巨大的超高效热交换器，使用低温液氧来防止尖峰熔化，而3D打印将这些制造方面的挑战轻松化解。

在几分钟内，Hyperganic Core可以创建几乎任何可以想象的发动机设计，包括喷射头、先进的传热系统和复杂的燃烧室几何形状，具有不同的推力水平和不同的尺寸，通过软件可以快速迭代并提出最佳设计，一次迭代只需几分钟。

3D打印Aerospike气动火箭发动机
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 自动生成零件

根据3D科学谷的市场了解，Hyperganic 开发了一种面向增材制造的体素级设计软件，消除了STL文件的设计约束。Hyperganic 通过算法自动生成零件，用于创建复杂功能性的仿生结构。

3D打印Aerospike气动火箭发动机-高40cm
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设计背后的原理是：通过数学算法进行设计，没有任何CAD模型。3D打印火箭发动机模型是通过数字进化过程创建的，进化过程中的算法将生成数百种变体模型，软件将对这些模型进行物理仿真验证，筛选出最适合的模型。最终得到的3D打印火箭发动机设计，具有与人工设计完全不同的外观。

3D打印Aerospike气动火箭发动机–高80cm
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高80cm和高40cm的两款发动机的设计是不一样的，并非仅仅是尺寸的不同。面向增材制造的零部件往往非常复杂，通过传统CAD软件实现起来变得困难。Hyperganic 通过可在CAD 中浏览的体素级3D模型来解决这一困难。Hyperganic 的商业模式也具有创新性，他们不出售软件，但会为客户提供成功的打印参数，这可能意味着Hyperganic 为客户创建收入共享的模型。

 钟形内外翻转的形状

根据3D科学谷的市场了解，与传统的火箭发动机不同，Aerospike发动机的特点是钟形喷嘴可以压缩膨胀的气体，基本的形状是钟形内外翻转的形状，3D科学谷将其昵称为“内衣外穿”。

Aerospike排气歧管的设计与传统的钟形火箭基本上是相反的。当前航天飞机上普遍采用的传统钟形火箭的推力是逐渐减少的，当点火发射的时候效率最高，随后当火箭向上攀升的时候，推力开始减弱。而Aerospike结构设计理念可以保持火箭在离开地面后的推力。

Aerospike发动机已经研究了多年，是许多单级到轨道（SSTO）设计的基准引擎，也是航天飞机主机的强大竞争者。最初XRS-2200 Aerospike发动机是由波音的Rocketdyne推进与动力公司研制并装配的。该发动机将为X-33提供动力。X-33是洛克希德马丁公司建议的商业可重复使用运载火箭。然而，从1996年到NASA在2001年正式取消VentureStar计划是Aerospike发动机得到高度重视又趋于平淡的一段时期，当NASA在2001年3月宣布该计划正式宣告失效时，当时NASA已经花费了近10亿美元的资金，而洛克希德马丁公司和其他合作伙伴则贡献了3.57亿美元。

Aerospike结构通过传统制造技术很难构建，包括一系列的相关的工程困难：冷却、重量和制造成本。通过3D打印技术，可以创造复杂的几何形状，包括机加工容易形成干涉的部位通过3D打印技术可以得到有效的解决。通过今天的 3D 打印技术和新材料，如 铜合金，可以用很少的成本和时间构建功能性和经济上可行的 Aerospike 发动机。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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3D打印液体火箭发动机
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航空航天增材制造应用发展方向
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 成就复杂精密的零件

Launcher E‑2 液体火箭发动机针对大规模生产和低成本进行了优化，3D打印助力引擎达到了令人难以置信的技术水平：成就更高性能的液氧(LOX)和煤油(RP‑1)液体火箭发动机。

从一开始，E‑2就被设计成最高性能的发动机在小型卫星发射器类中推力最大，推进剂最低消耗量和每磅推力的最低成本。但是像E‑2这样的创新设计需要使用同样创新的技术。为了帮助 E‑2 从设计过渡到完全实现的部件，Launcher在每个阶段利用3D打印和增材制造(AM)开发，这有助于降低项目成本并优化其设计大量生产。

如果任何液体火箭发动机，到达轨道后，涡轮分子泵是该项目中最具挑战性的部分之一……或者至少是挑战的一半，用于分级燃烧的涡轮泵，由于封闭的循环，挑战的水平会增加。

Launcher 的工程师要求 LOX 泵的叶轮高度平衡，使其能够以所需的30,000转/分旋转，在低温条件下，同时运输液氧。3D打印的30,000 rpm 转速旋转的叶轮产生大约在涡轮机产生 1 兆瓦的电力，在这种类型环境，在 4000 psi 的排放压力下，任何异常，包括转子和定子之间的任何摩擦，都可能导致计划外的拆卸。

根据3D科学谷的市场观察，通过3D打印技术制造整体式的火箭发动机是从事小型航天器发射的航天公司的技术聚焦点之一。对于初创企业而言，航空航天业一直是一个难以进入的市场，挑战并非仅仅来自知识产权，除了需要与现有的航空航天业供应商巨头竞争，像Launcher这样的初创企业还面对多方面的挑战与压力。

常用的金属3D打印技术面临的挑战是零件的悬垂表面往往需要支撑材料，这些支撑结构难以正确设计，并且在后处理过程中从零件中移除既困难又昂贵。对支撑材料的需求通常会导致工程师为了避免需要支撑材料而牺牲其优化设计，并且修改现有设计的可3D打印性。

之前，为了避免使用难以移除的内部支撑，增材制造工程师被迫将叶轮倾斜一个角度以完成增材制造。这种倾斜，旨在使零件可3D打印，但通常会产生不平衡的几何形状，这对这种类型的组件是有害的。3D科学谷了解到虽然这种方法可能会产生一个看起来像功能性叶轮的零件，但以这种方式3D打印的金属打印零件角度通常会变得拉长或不圆，并且无法在最终产品所需的公差范围内进行平衡。

通过Stratasys的直接制造服务，Launcher制造一个平衡良好的诱导叶轮加速并驱动LOX进入燃烧室，从而产生更大的流体流动并最终为火箭提供更大的推力。

通过集成两个独立的零件，将诱导轮和叶轮合二为一，通过3D打印成为效率更高的零件，打印材料是INCONEL®718，是一种耐腐蚀材料，具有良好的液氧兼容性和出色的低温下的机械强度。

 © Velo 3D & Launcher

 硬件与软件的组合实力

根据3D科学谷的了解，当前航空航天采用金属增材制造存在着一些障碍与挑战，与更简单的 3D 打印技术相比，金属增材制造本质上涉及对过程的更严格控制。这些反过来又可能成为该行业许多人的进入障碍。以惰性气体（也称为稀有气体）的问题为例。金属 3D 打印需要充满这些气体的封闭构建室，以确保零件质量。对于确保氧气不会进入并导致脆化或其他不良冶金条件至关重要。

材料的反应性越强在加工方面是另外一个挑战，例如与航空工业首选的钛或其他合金，由于其高强度重量比，可能的损坏就越大。这是因为氧气和氢气会在零件中产生高孔隙率水平，从而对强度和刚度特性产生负面影响。

因此，气体调节很重要，因为没有它，用户将获得不太完美的结果，这显然不是航空航天等安全关键行业的选择。在使用传统系统时，调节这种惰性气体流量以跟上激光发射过程中产生的烟灰通常是一个问题。这会导致烟灰堆积会干扰传递到粉末床的能量，从而导致结果不一致。

除了气体问题，另一个潜在的障碍与软件有关。值得注意的是，该公司指出，许多传统解决方案不提供现场监控，也不允许用户提前优化构建参数。如果没有具体、可靠的现场监控，用户将无法捕获可用的指标，从而使用户无法识别打印过程中的缺陷。这反过来会导致更多的构建失败，因为零件只有在流程完成后才被识别为有缺陷的。当涉及到参数时，这也是一个问题。如果系统无法优化特定零件的参数，则用户被迫进行多次构建以微调设计以达到所需的最终质量。这既浪费又昂贵，对希望采用金属增材制造的业内人士构成了重大障碍。

最后，航空航天公司进入金属增材制造市场的最大障碍之一是铺粉刮刀刀片，当零件过热导致可以到达刀片的突起时，是激光粉末床系统构建失败的主要原因之一。为了获得更有效、更可靠的打印，这是必须解决的主要问题之一。

克服更常用的金属3D打印遇到的问题，此案例中使用了Velo3D Sapphire®系统，凭借Velo3D固有的 SupportFree™ AM 工艺，克服了与常用金属AM增材制造技术相关的设计和制造妥协。

在取得积极成果后，零件经过了磨料流加工工艺，使流体流动顺畅，还通过CNC数控进行了实现最终精度的精加工。该组件还经过荧光处理、渗透检查和涂层以验证达到项目规范。

像 Launcher 这样的项目所面临的部分挑战是经历了如此多的建模、改进和迭代的设计。借助 Velo3D 及其 Flow™ 软件和Sapphire®3D打印机之间的协同作用，Stratasys Direct 能够通过真正的端到端增材解决方案交付这些复杂的设计。

叶轮的成功打印主要由于VELO 3D的“无支撑”3D打印技术，其受到航空航天领域采用的原因还在于VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统。该系统具有直观的图表，使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。根据VELO 3D，这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量，并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异，提高产量并规避异常情况，以确保一致的增材制造结果。

由于在空气动力学设计方面必须同时满足卓越的耐用性和高温工作的挑战性要求，飞机硬件尤其难以通过3D金属打印的方式来制造。VELO3D的技术能够生产轻薄、复杂的设计部件，满足最苛刻工作条件下的任务关键型应用要求。

根据3D科学谷的市场观察，在国内，所有的国际和国内品牌都面临着同样残酷的价格竞争，用户在决策采购3D打印设备的时候，往往忽略了功能实现才是自己最终所关注的用户价值所在，而是将设备商的硬件参数放在一起做比较，在看似“同样”的设备配置基础上，往往单纯的去压低设备商的价格。这是3D打印应用端需要警醒的一个误区，更稳定更智能的设备是创造产品的基础，忽略设备的软性条件，这未免也将用户自身的制造需求引入了另外一种误区，对产业的自身发展也是极为不利的。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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3D打印使得多个零件可以作为一个零件制造出来，并极大的压缩了研发时间与成本，这催生了众多的小型企业进入到航空航天制造领域。根据3D科学谷的市场观察，美国一家小型火箭初创公司Launcher开发的火箭发动机E-2是一个整体式的结构，没有任何组装零件，制造方式是选区激光熔化3D打印技术。Launcher 获得了进展的里程碑，在 NASA 斯坦尼斯航天中心实现了3D打印 E-2 火箭发动机的全推力测试。

Launcher的3D打印火箭发动机
© Launcher

3D打印高性能液体火箭发动机

 成功测试

2022 年 4 月 21 日，Launcher 的 E-2 液体火箭发动机在美国宇航局斯坦尼斯航天中心获得成功测试。E-2 是一种封闭循环 3D 打印的高性能液体火箭发动机，正在为 Launcher Light 运载火箭开发（计划于 2024 年首次发射）。单个 E-2 发动机将携带 150 公斤有效载荷将 Launcher Light 运载火箭推进到近地轨道。

成功测试 E-2 发动机的数据：

10 公吨推力（22,046 磅力）。
100 bar (1,450 psi) 的燃烧压力。
LOX/煤油（2.62 推进剂混合比）在 100 bar 压力下的最高性能。

 3D打印技术助力突破

根据3D科学谷的市场观察，通过3D打印技术制造整体式的火箭发动机是从事小型航天器发射的航天公司的技术聚焦点之一。对于初创企业而言，航空航天业一直是一个难以进入的市场，挑战并非仅仅来自知识产权，除了需要与现有的航空航天业供应商巨头竞争，像Launcher这样的初创企业还面对多方面的挑战与压力。

© Launcher

初创企业面临的一大挑战来自于如何制造出航空航天业需要的复杂的部件，这些部件是按照严格的标准制造的，并且是以小批量制造的。但是，与任何行业一样，新技术的引入有可能打破原来的生态平衡。目前，航空航天工业中的3D打印-增材制造技术就在打破原有的平衡。

Launcher的火箭与卫星发射
© Launcher

根据3D科学谷的市场了解，Launcher目前主要使用的3D打印设备来自EOS的AMCM M4K，以及Velo3D的3D打印设备。

根据3D科学谷，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却效果，以带来更加安全的火箭运行水平。3D打印在铜合金燃烧室的应用技术逻辑包括一次性整体成型带冷却通道的腔壁，铜合金的加工能力这两方面的优势结合。

小型企业要在航空航天这样的高技术壁垒的领域获得一席之地，必须建立自身的技术优势，根据3D科学谷的了解，Launcher 的一个技术优势在于其开发的3D打印铜合金（Cucrzr）发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。Launcher的E-2 的腔室采用独特的液氧冷却，通过铜合金 3D 打印一体成型。它还使用工业供应链铜铬锆合金 (CuCrZr)，与通常用于 3D 打印燃烧室的航空级铜合金相比，降低了成本和供应链限制。

Launcher 是第一家使用 3D 打印铜合金的小型发射公司，并与AMCM公司（属于 EOS 公司）合作开发了第一台大幅面（100 x 45 x 45 厘米）定制 3D 打印机，在小型发射 3D 打印技术方面处于领先地位。Launcher 的一体化铜合金燃烧室是在 AMCM M4K 3D 打印机上生产的。

Launcher的3D打印铜合金燃烧室
© Launcher

© 3D科学谷白皮书

在这款发动机中，发动机的燃烧室和喷嘴被设计为一个整体的部件，它将实现更高的冷却性能，同时减少零件数量和对装配的需求，最终通过金属3D打印技术来实现这样的复杂设计。

Launcher的3D打印铜合金燃烧室自动去粉
© Launcher

在分阶段燃烧循环中，推进剂流过两个燃烧室，一个预燃室和一个主燃烧室。通过点燃预燃室中的少量推进剂产生的压力可用于为涡轮泵提供动力，涡轮泵迫使剩余的推进剂进入主燃烧室。增加预燃器可以提高燃油效率，但却需要更高的工程复杂性。

此外，E-2 最先进的同轴注射器是在 Velo3D 的设备上进行 3D 打印的。根据3D科学谷的市场观察，VELO3D是一家软件驱动硬件的企业，其市场定位相当清晰：设计自由，敏捷生产和质量保证，这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。

根据3D科学谷的市场研究，VELO 3D率先推出其“无支撑”3D打印技术，其受到航空航天领域采用的原因还在于VELO 3D的Assure™质量保证和控制系统。该系统具有直观的图表，使用户能够查看和解释在构建过程中收集的大量数据。根据VELO 3D，这些信息可帮助工程师验证构建过程中每个步骤的质量，并使其在出现问题时能够快速做出决策。确保可以帮助减少生产差异，提高产量并规避异常情况，以确保一致的增材制造结果。

‍ 更多挑战，值得期待

作为下一步，Launcher 计划在2022年5月初再次使用相同的发动机腔室和喷射器进行测试。Launcher 计划将在 2022 年第四季度展示采用集成涡轮泵的E-2进行完整测试。

根据3D科学谷的市场观察，像Launcher 这样的初创企业要凭借3D打印技术进入到高壁垒的航空航天行业，光有3D打印设备这些“金刚钻”还远远不够，还需要对加工工艺，材料技术，后处理等方面有着深刻的认识和技术积淀，除此之外，还需要懂得如何搭建属于自己的良性生态环境，并积累资金、品牌、客户基础等方面的实力。

根据3D科学谷，商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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2022年3月，我国在西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭，成功将我国首次批量研制的六颗低轨宽带通信卫星——银河航天02批批产卫星送入预定轨道，任务获得圆满成功。

根据3D科学谷的了解，几乎所有今天建造的卫星都至少有一些 3D 打印部件，尽管大多数仍然是相对简单的机械支架系统，用于将航天器的结构保持在一起。3D科学谷在《洞察目前国内卫星3D打印应用的技术逻辑与商业价值》一文中分享了3D打印的技术和商业逻辑，本期，3D科学谷与谷友深度领略3D打印卫星的现状与技术展望。

卫星类型
© 3D科学谷白皮书

现状、挑战与趋势

根据3D科学谷，3D打印不仅仅实现点阵结构这样的轻量化结构，在卫星制造方面的应用技术逻辑还包括：一体化结构实现、高附加值零件制造、动力结构制造等等。

 现状

3D 打印-增材制造可以将多个波导合并到一个单元中，从而促进系统集成和优化重量。但就在大约2016年前，3D打印结构的使用在很大程度上是实验性的，在具有健康风险偏好的太空任务和有效载荷中飞行的应用的3D打印部件很少。

随着增材制造技术的发展及商业航天探索的投入，增材制造组件已成为其制造的所有卫星的标准，根据3D科学谷的了解，到 2020 年，增材制造组件约占典型航天器组件的三分之一。

3D 打印可以将多个波导合并到一个单元中，从而促进系统集成和优化重量
© Swissto12

随着增材制造的进步，卫星上3D 打印部件的数量正在增长。卫星制造正在采用3D打印技术来降低成本并加快生产能力越来越强的航天器。可以说增材制造技术的进步正在为卫星以及可以在轨道上打印零件的未来铺平道路。那么距离 3D 打印整个卫星有多近？

3D 打印卫星用塞式喷管发动机
© Fraunhofer

这是一个难以回答的问题，尤其是因为卫星上的部件数量因其大小和复杂性而有很大差异，范围从简单的基础结构到复杂的半导体。

3D 打印在卫星方面的应用

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I 案例：千乘一号

根据3D科学谷之前的分享，2019年8月17日，捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心点火起飞，以“一箭三星”的方式将“千乘一号01星”卫星送入预定轨道，发射取得圆满成功。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构，千乘一号卫星入轨运行稳定，标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级，即实际系统成功完成使用任务。

千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星频率提高至110Hz，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸，也是发射前最大的增材制造一体成形卫星结构。

整星增材制造工作委托西安铂力特增材技术股份有限公司完成，该卫星所有结构由铂力特四光束3D打印设备BLT-S600一炉内完成打印制造，零件最小特征仅为0.5mm。零件整体轮廓尺寸大，内部轻量化点阵胞元结构尺度小，整星超过100万个点阵特征，增材成形难度大，从稳定性、精度、周期等指标上对打印设备及工艺能力要求极高。

I  案例：Maxar

由于卫星的尺寸和复杂程度不同，3D打印的应用程度也各有不同。Cubesat 部件可以包含数百个组件，而更大的卫星可以从数万到数十万”用于旗舰任务，例如刚刚发射的价值 100 亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜。

根据3D科学谷的市场了解，国际上Maxar 在卫星上使用的第一个 3D 打印金属部件由钛合金制成，并于 2016 年在为日本 Sky Perfect JSAT 建造的通信卫星 JCSAT-15 上发射。自那时以来，Maxar 在发射的 20 多颗卫星上使用了由铝、钛和塑料制成的增材制造部件——总共有 5,800 个在轨部件。

2018 年发射的 Hispasat 30W-6 卫星的天线塔由 200 多个增材制造部件组成。
© Maxar

将 3D打印用于太空制造，因为增材制造这种技术提高了生产的灵活性，降低了成本并提高了性能，制造 3D 打印组件需要更少的人员和更便宜的材料，这些组件通常有多种用途，减少了硬件数量和整体组件的复杂性。

 挑战

那么3D打印的优势如此明显，当前存在什么样的挑战和制约因素呢？

根据3D科学谷的了解，缺乏卫星标准化也是实现 3D 打印提供的规模经济优势的障碍。这不像 3D 打印火箭发动机，而卫星尚未标准化到可以从中受益匪浅的水平。

即使对于小型卫星制造商来说，当前使用3D打印机生产零件也可能需要人工操作员进行大量干预，这可能会增加而不是节省成本。

另外一个最大的障碍是成本，尽管进行了改进，但除非大规模进行卫星的3D打印，否则成本的下降将不会很快发生。

为了实现批量化3D打印卫星的目标，业界需要研究至少有一百颗卫星的更大计划，每颗卫星都有许多相同的部件，并且卫星设计/架构已经针对 3D 打印进行了优化。

另外转向3D打印-增材制造需要重新设计符合太空要求的部件，然后在轨道上进行测试，然后才能更广泛地使用。这其中所涉及的风险、时间和成本目前还无法证明快速转向 3D 打印的合理性。

然而正如5年前业界还很少将3D打印用于发射的卫星上，5年后的今天已经获得大为改观一样，虽然3D打印暂时不能为卫星制造节省大量成本，但业界正在探索该领域，因为可能会在未来 5-10 年内发生变化。

3D 打印金属天线
© Swissto12

I  案例：Fleet Space

国际上Fleet Space在2021年12月的B轮融资中筹集了超过 2600 万美元后不久，这家初创公司宣布了第二代星座的计划，据称该星座将包括第一批完全通过 3D打印制造的卫星。3D科学谷了解到Fleet Space 3D 打印卫星天线使其每公斤航天器的传输能力提高 10 倍。

这个升级后的星座中的第一颗小型卫星被称为阿尔法，目标是在 12 个月内准备好发射，以加入目前在轨的六个半人马座立方体卫星。

不过目前或者在未来许多年内，强大的半导体不太可能进行 3D 打印，因此卫星本身将始终具有非3D打印的部分。

根据3D科学谷的了解，在南澳大利亚当地政府投资约 1400 万澳元的情况下，Fleet Space正在专注于射频元件（天线等）的3D打印，这些元件实际上对 3D打印来说比其他任何东西都复杂得多（几何形状非常复杂），Fleet Space现在拥有3D打印它们的专利。然后Fleet Space转向结构、双工器，现在Fleet Space还在探索整个电子元件的3D打印。

3D 打印天线
© 3D科学谷白皮书

根据 Fleet Space，每颗 Alpha卫星将拥有多达 64 3D 打印天线，这使得它能够提供比其最近的Centauri 卫星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。

 展望

当前，3D打印高性能卫星必须克服的技术障碍是相当大的，有些特殊零部件可能需要新的增材制造工艺。然而，人类是充满想象力和探索精神的动物，3D打印卫星的强大诱惑力是存在的，如果有一天能够在轨道上自主建造卫星，会继续吸引那些希望突破可能极限的投资。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关航天增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与航天研发与制造业白皮书第二版》。

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冷喷涂工作视频

冷喷涂成就的坚固外表

根据3D科学谷，冷喷涂令人着迷的地方在于细粉材料在高速压缩气体射流中被加速，能够将修复材料与零件融为一体，这使得冷喷涂增材制造技术可以用于制造各种新奇的材料，甚至可以应用在磁铁的制造上，并提供了许多新的设计可能性，这是使用压缩和注塑成型等技术无法实现的。此外，冷喷涂技术还可以在其他增材制造技术所制造的零件的基础上进行结构制造，以加快制造速度，降低制造成本。

 快且坚固

冷喷涂增材制造是冷喷涂工艺的一种特殊应用，用于生产独立零件或在现有组件上构建特征。冷喷涂是一种涂层沉积方法，其中细粉末颗粒在高速气流中加速。在与物体撞击期间，颗粒变形并结合在一起，在表面上形成一层。为了达到一致的厚度，喷嘴沿着物体反复移动。沉积物逐层堆积，形成零件或组件。

冷喷涂技术特点© 3D科学谷白皮书

冷喷涂增材制造工艺不同于原料被熔化的选区激光熔化或电子束增材制造。冷喷涂增材制造不会发生金属粉末熔化，因为它是一种固态涂层沉积工艺。没有与热有关的变形，这使得能够逐层构建结构，从而允许构建或修复非常大的对象。金属和金属基复合材料是可以使用冷喷涂增材制造沉积的粉末类型。

使用冷喷涂构建用于增材制造的大型零件外表© NASA

根据3D科学谷的市场观察，美国宇航局NASA 首次在其发动机部件上采用并成功测试了冷喷涂沉积 (CSD) 的技术。美国国家航空航天局（NASA）与Aerojet Rocketdyne合作，共同开发3D打印技术（金属增材制造技术），目前在3D打印着陆器和液体火箭发动机方面取得了不断的突破性进展。

3D打印火箭推力室的技术逻辑© 3D科学谷白皮书

冷喷涂（CSD）技术 用于在 7,999 磅级的燃烧室外部添加 NASA 的 HR-1 材料（一种镍基合金，可在极端环境中抵抗腐蚀、氧化和脆化）的保护套。Aerojet Rocketdyne 与NASA合作建造的着陆器发动机。冷喷技术可以帮助将发动机部件的成本和交货时间降低多达 50%。

根据3D科学谷《 深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》一文，冷喷涂通过压缩的高速超声波气体将未熔化的粉末加速到基材上，材料发生变形并通过动能冲击时堆积在表面上，形成与固体材料的结合。冷喷涂机理是机械互锁和冶金的结合，这些结合是由于在高应变的颗粒界面上发生的再结晶而造成的。冷喷涂之所以具有优势，是因为它不会熔化材料，因此与其他工艺相比，降低了产生热残余应力，金属间化合物形成，氧化和热量输入变形的可能性。

在PBF增材制造技术加工出来的铜合金燃烧室表面冷喷涂NASA HR-1和镍的早期试验

© NASA

冷喷涂技术于热喷涂方法不同，涂层气孔率很低，基体材料和涂层的热负荷很小，材料氧化少，消除了涂层中结晶化不均匀的现象。根据3D科学谷的市场了解除了不需要焊接或机加工就能制造全新零件以外，冷喷技术令人兴奋之处在于，它能够将修复材料与零件融为一体，完美恢复零件原有的功能和属性。这样就能有效延长零件使用寿命几年，甚至几十年。

© NASA

 TRL6

通过模拟工作火箭发动机的极端环境的严格热火测试，NASA 基本上批准了在制造发动机部件中使用 冷喷涂CSD技术。该批准使关键组件的制造商能够自信地将 CSD冷喷涂技术添加到他们的金属增材制造工具箱中。

通过测试还允许 NASA 将冷喷涂制造的组件技术就绪级别 (TRL) 指定为 6，这意味着这是一个功能齐全的原型或代表性模型。（ TRL 用于评估技术或产品成熟度水平的指数）

燃烧室腔体本身由铜合金通过选区激光熔化技术3D打印而成，具有出色的传热性能，但需要在结构上进行加固。选区激光熔化技术非常适合腔室，因为选区激光熔化3D打印技术能够制造出复杂的通道以使冷却液流过，并且能够打印出减轻重量所需的薄壁。这个过程缓慢而精确。

© NASA

铜合金制成的燃烧室腔体需要在结构上进行加固。这就是冷喷涂CSD技术的用武之地。冷喷涂技术使用超音速气体射流将固体粉末喷射到表面上，使用动能而不是热量来施加护套，有助于减少或消除材料收缩。

虽然冷喷涂沉积是一种相对不精确（根据3D科学谷的市场研究，目前科研机构在通过人工智能来提升对冷喷涂工艺技术的精确度的控制）的加工方法，不过冷喷涂是快速、高效的方法，3D科学谷了解到通过高度复杂的技术（选区激光熔化金属3D打印技术）制造高度复杂的零件（铜合金燃烧室）。而对于结构性更强的部分，使用了相对精确度低的技术（冷喷涂增材制造）技术，冷喷涂的制造速度更快，并降低了零件的总体成本。

3D科学谷了解到冷喷涂使用的HR-1材料似乎是此类应用的完美材料，NASA HR-1是用于高温操作环境下（例如液体火箭推力室的喷注器）的高强度合金，适用于多种增材制造技术。

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本期，透过Relativity Space这家初创企业在3D打印方面的技术逻辑，3D科学谷与谷友一起来感受3D打印如何成就航空航天自动化的圣杯。

© Relativity Space

深层颠覆，从技术源头开始

Relativity 由 Tim Ellis 和 Jordan Noone 于 2015 年创立，这两位年轻的航空工程师有着创造完全 3D 打印火箭的伟大想法。在 Relativity 成立之前，Ellis在Blue Origin工作，而Jordan在SpaceX 研究 Dragon太空舱。

Relativity 的首次发射定于 2022 年初，该公司将在试飞中将其 Terran 1 火箭（一种两级、全 3D 打印的火箭）发射到太空中，以显示其可行性，这将是首次发射几乎完全3D 打印的火箭。

 完全打印，完全可重复使用

Terran 1 是一款完全 3D 打印的两级运载火箭，根据 Ellis 的说法，这不仅仅是第一个完全 3D 打印的火箭，也是有史以来最大的金属 3D 打印物体。

Terran 1 高35 米，直径2.3 m，整个主要结构都被3D打印出来了。Terran 1 是 Relativity 的第一枚火箭，但Relativity已经在开发下一款火箭：Terran R。

下一步火箭必须是完全可重复使用的… …而3D打印正在助力火箭突破性能极限，实现可重复使用。Terran R既是完全 3D 打印的，又是完全可重复使用的。Terran R 的第一级、第二级及其有效载荷整流罩都将是可重复使用的。

Terran 1火箭与Terran R火箭拥有相同的架构，相同的推进剂，相同的工厂，相同的3D打印机，相同的航空电子设备和相同的团队。而且Relativity Space即使发布了Terran R，公司也计划长期保留Terran 1以满足不同用途的发射。

Terran R计划在 2024 年开始发射，Terran R 除了可重复使用外，还更大，可以携带更多。Terran R高66 m，宽4.9 m，Terran R的运载能力将是Terran 1的近20倍，可以向近地轨道发射超过20,000 kg的重量。

 竞争优势，从制造技术源头搭建

那Relativity为什么要通过3D打印来制造火箭？如何看待3D打印给Relativity带来的竞争优势呢？

类似于许多其他行业已经采用自动化和软件驱动技术所带来的制造能力的提升，3D 打印实际上只是一种将许多零部件合并在一起制造出来的自动化技术。基于3D打印这项技术，Relativity的目标是减少 100 倍的火箭零部件数量。

© 3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》

的确是从零件的数量角度来看，自从阿波罗开始时，航空航天的基本前提确实没有改变，和 60 年前一样，航空航天业的工厂充满了固定工具和数十万到数百万个单独的零件，所有这些都是通过再组装而成，这是跨越非常复杂的供应链的一个过程。每个航空航天制造工厂仍在使用巨大的固定夹具和非常复杂的供应链来制造产品，并且开发新产品需要很多年。如果想进行一些细微的调整和更改，则必须将所有这些都抛弃，这对于任何一家现有的企业来说都是沉重的取舍。

3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower曾预测，到2023年，73%的增材制造航空航天零件将是最终产品零件（而不是用于原型用途）。

一个最直接的颠覆性是3D 打印“简化了供应链，从零件的角度看，零件数量呈量级的减少，从材料角度看，Relativity的整个运载火箭只用四种原材料制造，这样的颠覆，是的3D打印将成为航空航天自动化的圣杯技术。

不过，即使在国际层面看，Relativity 并不是第一家使用 3D 打印技术的火箭公司。SpaceX、波音和 Blue Origin 等公司已经集成了 3D 打印的不同部件。但目前看，该公司 3D 打印能力的规模是独一无二的。

虽然早期在航空航天领域使用 3D 打印已经看到打印用于系统内的小型组件，但 Relativity 正在努力将火箭的重要部分全部打印为一个整体，从而显着减少使用的单个部件数量。

凭借更少的零件、更少的步骤和更少的原材料，Relativity通过其独特的3D打印方法能够在从成本到制造火箭所需的时间等各个方面为公司带来巨大的优势。

如果考虑到需要购买的长期硬件，普通火箭需要两年时间才能制造出来。Relativity正在努力在 60 天内从原材料进门到运载火箭制造完成，实现惊人的火箭交付能力突破制造。

 软件定义制造,不可避免的转变

根据3D科学谷的了解，2021年，Relativity获得了投资者的大力支持。2021年初到2021年8月，Relativity在八个月左右的时间里筹集了大约 12 亿美元资金。

Relativity 在加州长滩建设新的 100 万平方英尺（超过9万平方米）的超级工厂见证3D打印颠覆了 60 年的航空航天业，结合人工智能驱动的控制，Relativity 的 Stargate 3D 打印机不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

作为一个垂直整合的技术平台，Relativity 处于向软件定义制造不可避免的转变的最前沿。通过融合 3D 打印、人工智能和自主机器人技术，Relativity 的超级工厂是开创未来的工厂。

根据3D科学谷，商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所谈到，每一个企业的转型都是非常艰难的选择，没有一个企业可以从一个山头直接”跳到”另外一个山头，这需要有一个”下山”和重新”上山”的过程。

而对于Relativity Space这样的创新型企业来说，不存在“下山”的过程，这种轻身上阵带来了明显的优势。面向打造完全可重复使用的Terran R，Relativity Space以独特的技术与先发优势仰望新的“山顶”。

根据3D科学谷的了解，2022 年1月27 日，Relativity Space 宣布该公司已被 NASA 选为该机构的VADR任务提供发射服务的12家公司之一，合同的订购期为 5年，所有 12 份合同的最高总价值为 3 亿美元。

VADR 合同提供范围广泛的联邦航空管理局许可的商业发射服务，能够将有效载荷从立方体卫星到 D级任务交付到各种轨道。这些小型卫星和 D类有效载荷可承受相对较高的风险，是技术和架构创新的理想平台，有助于 NASA 的科学研究和技术发展。

随着增加的NASA VADR 合同，Relativity 的第一颗火箭Terran 1号继续成为发射前历史上预售量最高的火箭。迄今为止，Relativity 已经从商业和政府实体获得了Terran 1号发射的合同，包括2022年晚些时候即将执行的 NASA VCLS-2 任务。

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根据航空制造网，中国在火箭燃料方面，正在由煤油向液氢转换。那么在火箭的设计及燃料处于升级换代的节点上，3D打印在火箭发动机的关键部件：推力室方面的技术应用逻辑与商业进展是什么样的呢？本期，3D科学谷将与谷友一起，深度了解火箭推力室背后的3D打印。

© 《3D科学谷航天白皮书》

火箭推力室背后的3D打印技术

根据3D科学谷，3D打印在动力装备的技术发展逻辑概括为两点：爆发力强、安全性高。提升爆发力方面，3D打印释放了设计与制造的自由度，例如通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；提升安全性方面，例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。

走进3D打印，了解3D打印火箭的方方面面© Relativity Space

© 《3D科学谷航天白皮书》

液体火箭发动机主要由推力室、涡轮泵、燃气发生器、火药启动器和各种阀门、调节器、管路等组成。涡轮泵是由气体涡轮、燃料泵和氧化齐泵等组成，其功用是由涡轮带动泵，将来自贮箱的推进剂的压力由几百千帕提高到几万千帕。然后再送入发动机推力室。涡轮泵结构复杂、工作条件苛刻、压头高，因此，设计效率高的涡轮泵也是发动机研制中的关键。

火箭推力室是火箭发动机重要的组成部分，火箭推力室主要有喷射器、燃烧室、喷管这三种最为主要的部件组成。

根据3D科学谷，3D打印正在以其独特的优势提升火箭推力室的喷射器、燃烧室、喷管这三个关键组件的制造水平与产品性能。这其中的3D打印制造技术包括PBF基于粉末床的金属熔化3D打印技术、DED(送粉、送丝）定向能量沉积3D打印技术。

© 《3D科学谷航天白皮书》

 3D打印火箭注射器

根据3D科学谷，3D打印火箭注射器的技术逻辑是以更低的成本快速制造出复杂的注射器零件，不仅降低了成本，减少了制造周期，更复杂的注射器设计提升了注射燃料的性能表现。

国际上已经大量的应用3D打印制造火箭推力室注射器。其中，Aerojet Rocketdyne的AR1火箭发动机的单冲量（single-element）主喷油嘴是完全使用3D打印机制造的。AR1是一款正在开发中的50万磅推力级的液氧/煤油发动机，美国希望用它来替代俄罗斯的RD-180发动机。喷射器是用选择性激光熔化（SLM）技术制造的，3D打印被证明能够以与传统制造技术相比很低的成本快速制造出复杂的发动机零部件。仅在主喷射器一项，3D打印就把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。

© NASA

 3D打印火箭燃烧室

根据3D科学谷，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却效果，以带来更加安全的火箭运行水平。3D打印在铜合金燃烧室的应用技术逻辑包括一次性整体成型带冷却通道的腔壁，铜合金的加工能力这两方面的优势结合。

分阶段燃烧循环中，推进剂流过两个燃烧室，一个预燃室和一个主燃烧室。通过点燃预燃室中的少量推进剂产生的压力可用于为涡轮泵提供动力，涡轮泵迫使剩余的推进剂进入主燃烧室。增加预燃器可以提高燃油效率，但却需要更高的工程复杂性。

3D打印铜合金燃烧室© Launcher

2015年，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室的3D打印方面取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。

NASA于2020年12月9日发布官方声明，其3D打印铜合金燃烧室和高强度耐氢合金火箭发动机零件通过了23次热火测试。NASA制造火箭推力室的燃烧室所用的铜合金GRCop-42作为具有更高导电性的高强度合金而得到了应用，铜合金由于其高导热性而被期望用于腔室衬里，这带来高效的壁冷却以将腔室热壁保持在高强度温度区域中。根据3D科学谷的了解，NASA开发了生产封闭壁铜合金衬里的能力，使复合材料成为腔室护套作为可行且理想的选择。

根据3D科学谷的了解，NASA的铜3D打印工艺是通过与合作伙伴的合作开发的。Sintavia为NASA的GRCop-42 铜合金开发了专有打印技术，GRCop-42 是NASA 和私人太空飞行公司用于火箭推力室组件的首选铜合金。这项新技术结合了专有参数集和热处理后处理，是在 EOS的M400-4 打印机上开发的，可制造最小密度为 99.94%、最小拉伸强度为 28.3 的 GRCop-42 铜组件ksi，最小极限屈服强度为 52.7 ksi，最小伸长率为 32.4%。重要的是，该技术避免了在后处理步骤中使用热等静压机，从而减少了生产时间、复杂性并降低了成本。

而NASA在3D打印铜合金燃烧室方面取得的进展也催生了国际上火箭制造创业企业的热情，包括Launcher等创业型企业在积极布局3D打印铜合金燃烧室的技术。

 3D打印火箭推力室喷管

根据3D科学谷，DED定向能量沉积增材制造工艺应用在火箭推力室喷管的技术逻辑是：可以形成内部冷却通道、可以沉积双金属材料、免除焊接。DED定向能量沉积增材制造工艺可以直接在铜腔室的后端沉积双金属材料，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，构建内部冷却通道，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题。

DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。

DED定向能量沉积增材制造技术可以加工双金属材料，双金属材料则使得火箭推力室的喷管具有优化材料的选择，理想情况下火箭推力室的喷管由非铜合金制成，例如高温合金或不锈钢材料。双金属增材制造材料可以帮助应对推力室总成（TCA）中的所有结构和动态载荷的复杂挑战和要求。

欧洲方面，根据3D科学谷的市场观察，2017年，GKN航空航天公司宣布已经向法国的空中客车和赛峰集团提供了先进的Ariane 6号火箭喷管（SWAN）。

直径为2.5米，喷管采用创新技术制造而成，性能更高，交货时间更短，成本更低。通过激光焊接和激光能量沉积工艺对关键结构零部件进行加工，使得喷管的零部件数量减少了90％，从约1000个零部件减少到约100个零部件。并且降低了40%的成本，减少了30%的交货时间。

3D打印的火箭喷管© GKN

美国方面，NASA在3D打印火箭喷管方面的历史由来已久。其中NASA的“快速分析和制造推进技术”（RAMPT）项目的三个主要目标是：1）推进定向能量沉积（DED）技术以制造带整体复杂内流道的大型燃烧室和喷嘴；2）开发复合外包装技术以减轻重量并为推力室组件提供结构能力；3）开发双金属和多金属增材制造的径向和轴向接头，以优化材料性能。除了这些主要的制造开发之外，（RAMPT）项目中的分析建模工作还补充了过程开发和模拟AM增材制造过程，以减少构建失败和变形的发生。

2021年NASA还通过跟DM3D和奥本大学的合作，3D打印了大约2吨重的火箭喷管。大约 2 吨的增材制造全尺寸 RS25 喷管衬里的确切尺寸为 111 英寸高（281厘米高）和 96 英寸直径（243厘米直径）。庞大的零件是在几个月的时间里制造出来的——与传统的制造技术相比，加工时间减少了 50% 以上。

3D打印火箭喷管© NASA

快速发展的国内商业火箭

根据德国Fon杂志，在中国，由21岁的胡振宇于2014年在北京成立的Link Space（翎客航天）一直吸引着人们的注意，它的新线1号是可重复使用的24米长的两级火箭。2016年，Link Space在一枚可重复使用的火箭（设计用于发射，然后返回地球）原型上进行了”悬停”测试。

2019年RLV-T5第三次飞行试验任务© 翎客航天

翎客航天在火箭回收过程中使用的是独立研发的一种基于神经网络的制导控制技术。该技术中的核心算法相比凸优化方法具有结构简单、计算速度快、无求解器依赖等优点。

在刚刚过去的2021年11月2日，翎客航天在江苏某地圆满完成“风暴-1”型泵压式发动机全系统试车。 该型液体火箭发动机于2021年4月正式立项，是翎客航天自主研制的首款泵压式发动机。该型发动机的阶段性成功，预示着翎客航天有望在未来的亚轨道可回收火箭型号中，采用自主研制的液体动力。

2020年7月，中国航空航天业实现了又一个里程碑，北京星际荣耀空间科技有限公司的双曲线一号遥一长安欧尚号运载火箭（简称“SQX-1 Y1”）在中国酒泉卫星发射中心成功发射，按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道，发射任务取得圆满成功，实现了中国民营运载火箭零的突破。

2021年2月，重庆壹零空间在西北成功发射OS-X6B新型智能亚轨道火箭暨“重庆两江之星“，首次采用3D打印姿控动力系统产品飞行。

2021年7月，深蓝航天完成了首次垂直起飞和垂直降落（VTVL）自由飞行，即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验。

总体而言，中国已加入成熟的航天国家行列：在2020年，中国超过俄罗斯，几乎与美国持平，完成了39次发射。自从中国于2014年开始允许私营公司参与以来，其国内太空部门一直在蓬勃发展。涉及的公司数量已从2018年的30家增加到一百多家，而且还在不断增加中。

就在2021年4月，东方空间天使轮融资4亿元，投资方除了红杉中国、经纬中国，还有源于清华的基金SEE FUND以及三一集团、闻泰科技等。在战略规划上，东方空间希望花7年时间成为国际一流的商业航天企业。

《3D打印与工业制造》：3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术。

l Highlight 深蓝航天

国内商业航天的发展需要更多的力量并肩齐驱，江苏深蓝航天有限公司（深蓝航天）成立于2017年，聚焦在液体回收复用运载火箭方向，是并提供商业发射服务的商业航天高新企业。深蓝航天总部位于江苏省南通市，在北京亦庄和陕西西安分别设有火箭总体、液体发动机研发中心；在陕西铜川建有火箭动力系统测试基地。

2021年7月，深蓝航天完成了首次垂直起飞和垂直降落（VTVL）自由飞行，即被称之为“蚱蜢跳”的运载火箭垂直回收飞行试验。2021年10月13日，深蓝航天再次成功完成百米级VTVL垂直回收试验；并将按计划执行“星云-M”试验箭的公里级高空垂直起降回收飞行试验，以及20吨级液氧/煤油发动机“雷霆-20” 的整机试车。

深蓝航天LT-5发动机大量选用3D打印技术，利用先进的打印设备最大限度发挥镍基高温合金粉末材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等优质特性，成功突破传统火箭发动机制造模式的低生产效率、复杂工艺路线、周期长的瓶颈。

深蓝航天目前正在研制中的新型发动机同样选择了经过验证的3D打印技术和后处理工艺，新交付的发动机结构部件最大尺寸达到600mm×600mm×600mm。

通过一系列的研制测试，自主掌握了3D打印粉末选型、增材制造形性控制、增材流道结构表面高质量磨料流光整等多项关键技术，具备了产品多行面、多腔道、再生冷却通道等复杂精密构件的增材制造研制能力。

 © 深蓝航天

根据经纬创投，2020年的一个显著变化是，大量的太空任务是由经济和国家安全驱动，而不仅仅是实验室科研。随着美国已经形成NASA负责深空探索，民营的SpaceX等公司负责降成本、商业化的航空航天新格局，民营公司正扮演越来越重要角色。经纬创投亦在此领域积极布局，投资了星际荣耀、蓝箭航天、银河航天、长光卫星、天仪研究院、遨天科技等企业。

商业航天市场参与主体

© 3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》

根据3D科学谷www.3dsciencevalley.com，商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

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增材制造（AM）为具有复杂内部特征的精密部件（例如以前不可能通过传统工艺加工出来的带复杂冷却流道的液体火箭发动机推力室）带来了重大的设计和制造机会。根据3D科学谷的了解，最近通过跟DM3D和奥本大学的合作，NASA 3D打印了大约2吨重的火箭喷管。

© 来源：奥本大学

281厘米高的火箭喷管

DM3D是总部位于密歇根州的定向能量沉积 (DED) 技术领域的企业，与奥本大学的国家增材制造卓越中心 (NCAME) 合作开展其与 NASA 的增材制造 (AM) 研发项目，以提高液体火箭发动机性能。

© 来源：NASA

奥本大学和 NASA处于增材制造研究的最前沿，大约在四年前开始与DM3D合作，当时打印一个大约两英尺大小的喷管，当时看起来很大。现在在RAMPT项目的支持下，正在打印的喷管高度是之前的五倍，这是有史以来最大的 3D 打印火箭发动机部件之一。

大约 2 吨的增材制造全尺寸 RS25 喷管衬里的确切尺寸为 111 英寸高（281厘米高）和 96 英寸直径（243厘米直径）。庞大的零件是在几个月的时间里制造出来的——与传统的制造技术相比，加工时间减少了 50% 以上。

根据DM3D，DM3D的使命是挑战不可能，其3D打印系统的同轴喷嘴带有局部氩气屏蔽，可以保护此类材料的熔池。可以精确地在零件上的选定位置添加各种材料，从而可以制造具有功能特性的多材料组件。

DM3D专有的直接金属沉积（DMD）技术是一种DED直接能量沉积技术类型的工艺，DM3D能够在一次构建中处理具有多种材料的中型到大型零件，据称具有高速的制造速度。

DED定向能量沉积3D打印技术通过同轴送粉或多喷嘴沉积头，将粉末与惰性载气一起注入到零件的熔池中。熔池是由中央激光能量源产生的，通过惰性气体的保护以最大程度地减少加工过程中金属的氧化。

根据3D科学谷的了解，NASA 已经建立了类似于与DM3D这样的公私合作伙伴关系，通过增材制造技术推进新方法、探索新工艺、开发新材料和新组件。目标是提高技术准备水平，以便融入未来的 NASA 任务和商业太空应用。

NASA与行业合作伙伴共同开发了薄壁通道的设计。在图中可以看到DED定向能量沉积3D打印技术加工的一些通道示例。这些通道演示了可能的设计选项，各种加工路径策略以及确定的过程几何形状限制。

© 来源：NASA

根据3D科学谷的市场研究，RAMPT项目集成了几种先进的制造技术，以实现完整的集成推力室组件。总体概念以GRCop铜合金燃烧室为核心，并通过基于粉末床的选区激光熔化（L-PBF）金属3D打印技术制造的整体通道。然后使用DED技术来沉积歧管焊接区，以便可以将前歧管焊接到腔室上。经过此操作和热处理后，使用碳纤维聚合物基复合材料（PMC）的外包装材料对大型推力室TCA进行外包装。

DED定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。通过DED定向能量沉积增材制造工艺在GRCop-42铜腔室的后端沉积双金属材料，形成带双金属轴向接头的火箭推力室喷管，并实现连续冷却，从而解决了一些设计挑战和螺栓连接设计的接口问题，随后通过碳纤维聚合物基复合材料（PMC）外包装将整个推力室总成（TCA）进行外包装。

DED定向能量沉积增材制造技术还具备多材料开发的想象和探索空间，根据3D科学谷的市场研究尽管复合材料外包装作为腔室护套表现良好，同时RAMPT项目仍继续关注增材制造双金属材料的开发，因为仍需要对焊接火箭推力室的喷管进行材料过渡。而双金属材料则使得火箭推力室的喷管具有优化材料的选择，理想情况下火箭推力室的喷管由非铜合金制成，例如高温合金或不锈钢材料。双金属增材制造材料可以帮助应对推力室总成（TCA）中的所有结构和动态载荷的复杂挑战和要求。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航天研发与制造业白皮书第二版》

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在“复兴号”这趟列车上，有一个设计是内衣外穿”的Aerospike火箭发动机，在这方面，西班牙初创公司 Pangea Aerospace 和 Aenium Engineering 正在通过3D打印技术将这一复杂的设计复兴，用于商业用途。

© Pangea

大幅提升金属3D打印的经济性

根据3D科学谷的了解，Pangea Aerospace 和 Aenium Engineering正在打造在欧洲开发和工业化先进 3D 打印航天推进系统的特殊能力，这个系统由 NASA 开发的名为 GRCop-42 的创新铜合金材料制成。

通过此次合作，Pangea 将在 2021 年第三季度测试其首款基于 GRCop-42 材料的 Aerospike 火箭发动机，由于其更高的效率、可重复使用性、极低的成本和快速制造能力，预计将改变航天领域的推进技术水平。

 革命性方法开启新机遇

用于火箭的 Aerospike 推进器 © Pangea Aerospace

与传统的火箭发动机不同，Aerospike发动机的特点是钟形喷嘴可以压缩膨胀的气体，基本的形状是钟形内外翻转的形状，我们将其昵称为“内衣外穿”。

Aerospike发动机可在广泛的高度范围内保持其空气动力学效率。属于高度补偿喷嘴发动机类。具有Aerospike发动机的火箭在低空下使用25-30％的燃料，其中大多数任务对于推力都是最大的需求。

不过历史上制造Aerospike发动机具有一系列相关的工程困难：冷却、重量和制造成本。然而，通过今天的 3D 打印技术和新材料，如 GRCop-42，可以用很少的成本和时间构建功能性和经济上可行的 Aerospike 发动机。

GRCop-42 铜合金材料的 Aerospike 喷嘴 © Aenium

事实上，GRCop-42 合金是能够解决 Aerospike 喷嘴火箭发动机热挑战的关键解决方案之一。该材料最初于 2019 年由 NASA 研究人员团队开发，作为粉末床熔化金属3D打印的原料，在恶劣环境中表现出无与伦比的卓越热机械性能。NASA航天局已经使用金属粉末来生产和测试接近完全致密的 3D 打印部件，例如燃烧室衬里和燃料喷射器。

 显著增加火箭载荷

通过集成增材制造 (AM)、复杂的后处理和铜合金材料GRCop-42的综合优势，Pangea 和 Aenium 现在可以为欧洲航空航天市场开发和商业化推进系统，让不断增长的航天工业中的更多初创公司获得先进的推进解决方案。

根据3D科学谷的了解，他们目前开发的发动机的效率比传统生产的发动机高 15%，从而可以显着增加任何运载火箭的有效载荷。此外，由于 3D 打印的优势，这种Aerospike发动机可以仅由两大零件组成，并且可以重复使用至少 10 次。

Pangea 目前正在制造该发动机的演示器DemoP1，这是一种液氧和甲烷气顶发动机演示器，旨在表征和验证未来气顶发展的几项关键使能技术，包括使用甲烷作为燃料，一旦投入使用，这种太空推进系统将成为小型卫星、深空任务和着陆器的理想选择。

得益于此次合作，Pangea 已经开始对其更大的、可商用的 Aerospike 发动机及其子系统进行初步设计。未来，这家公司计划使用相同的技术开发可重复使用的微型发射器，设计用于承载高达 350 公斤的有效载荷，通常用于小型商业或实验卫星。

为下一代运载火箭创造技术的商业竞赛是的许多企业通过 3D 打印来构建复杂的零件，与数百家致力于推动离地体验的技术的太空初创公司中的许多一样，Pangea 仍在开发其产品。现阶段竞争激烈，很多公司都在追求小型运载火箭、卫星和火箭发动机。

“ 3D打印技术已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术，” 3D科学谷创始人Kitty Wang（王晓燕）认为，3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，不过Kitty认为，这条赛道上随着越来越多的新加入者，竞争会愈发激烈，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的火箭制造3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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3D科学谷认为Relativity Space 融资的背后支撑逻辑在于将火箭零件的数量减少了100倍，将开发速度提升了10倍，如此大幅度的精益化进化，这是人类历史上之前少有发生过的。

本期，3D科学谷与谷友一起来深入了解Relativity Space 从2016年至今的强势融资进程背后的发展逻辑。

© Relativity Space

从第一性原理出发

3D科学谷在《3D打印与航天制造业白皮书》中指出，3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。在《3D打印与工业制造》一书中谈到3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis在当初面临两个选择，当时他们开发了自己的3D打印机，Relativity Space的“星际之门”Stargate设备是一款线弧3D打印机，是世界上最大的金属打印机，可以3D打印大约3.7 x 2.1米的油箱。

© Relativity Space

那么是将公司定位于3D打印机的销售？还是通过3D打印的技术影响一个行业？当时的创始人清晰的认为，销售3D打印机的难度很高，因为要改变的是产业的思维，而人的思维习惯是有惯性的，这很难改变，他们选择了后者，通过自己的3D打印机来生产产品。

Relativity Space 的创始人Tim Ellis还有一个精湛的洞见，他认为市场上普遍对3D 打印没有真正了解的是，3D打印对制造的颠覆性实际上更像是从燃气内燃机过渡到电动，或从内部部署服务过渡到云，3D 打印是一项很酷的技术，但更重要的是，3D打印实际上是软件和数据驱动的制造和自动化技术。

在实际使用过程中，3D打印技术普遍被当成与传统制造技术“apple to apple”硬件相关的技术，人们普遍忽略了3D打印的核心是软件和数据，也低估了这项技术数字化制造的颠覆性本质在哪里。这一点在德国亚琛所领导的未来增材制造技术futureAM项目中将深有体会，3D打印发展的门槛在于通过软件突破一层层的产业化束缚，每一家制造业将变成以软件或数据为核心竞争力的企业。

Tim Ellis © Relativity Space

 可回收带来划时代意义

Relativity Space E 轮的资金用于加速该公司的重型、完全可重复使用的两级火箭-人族 R 的生产。人族 R相对于人族 1 号来说是具有颠覆特征的，这也是Relativity Space 在E轮强势融资6.5亿美元的有力逻辑支撑。

© Relativity Space

正如预期的那样，人族 Terran 1 和人族 Terran R 在非常显着的方面不同：前者是可消耗的，后者是可重复使用的；前者专为小型有效载荷而设计，后者专为大型有效载荷设计。甚至 Terran R 的有效载荷整流罩也是可重复使用的，Relativity 设计了一个系统，当连接到第二级时，可以更容易地回收。

Relativity Space的人族 Terran R火箭有 216 英尺高，最大有效载荷能力为 20,000 磅（相比之下，SpaceX 的猎鹰 9 号火箭高约 230 英尺，最大有效载荷为 22,800 磅。）

左边是人族 1，右边是人族 R。© Relativity Space

Terran R 将在第一级使用 7 台新的 Aeon R 发动机，每台发动机都能够产生 302,000 磅的推力。用于生产 Terran R 发动机和火箭与 Terran 1 的是一致的。这些3D 打印机目前也生产为 Terran 1 提供动力的九个 Aeon 1 发动机，这意味着 Relativity 不必彻底重新配置其生产线来制造新的运载火箭。

根据3D科学谷的了解，建造一个人族 Terran R火箭大约需要 60 天。对于具有这种有效载荷能力的火箭来说，这是一个令人难以置信的速度。Relativity Space 表示，该公司最早将在 2024 年从其位于卡纳维拉尔角的发射场发射人族 Terran R火箭，并签署了第一个主要客户。

Terran 1 火箭将在2021年年底执行该公司的首次轨道飞行，不会携带任何有效载荷。Terran 1 的第二次发射计划于 2022 年 6 月进行，并将作为 NASA 风险级发射服务演示 2（VCLS 演示 2）合同的一部分将立方体卫星带到空间。

根据3D科学谷的了解，Relativity Space 的创始人Tim Ellis认为 3D 打印技术在另一个星球上建立工业基地是不可避免的，他希望能激励数十到数百家公司一起去完成这项使命。

 开启新征程

3D科学谷认为3D打印铺平了下一代火箭制造的道路，更多的公司包括Astra，Firefly Aerospace，Rocket Lab，Virgin Orbit等初创企业纷纷进入Relativity Space称为“软件驱动制造”的航天火箭3D打印领域。这些新来者也希望动用数百万美元来摆脱陈旧的思维方式，颠覆航天制造技术和商业版图。

根据德国Fon杂志，在中国，由21岁的胡振宇于2014年在北京成立的Link Space（翎客航天）一直吸引着人们的注意，它的新线1号是可重复使用的24米长的两级火箭。2016年，Link Space在一枚可重复使用的火箭（设计用于发射，然后返回地球）原型上进行了”悬停”测试。

2020年7月，中国航空航天业实现了又一个里程碑，北京星际荣耀空间科技有限公司的双曲线一号遥一长安欧尚号运载火箭（简称“SQX-1 Y1”）在中国酒泉卫星发射中心成功发射，按飞行时序将多颗卫星及有效载荷精确送入预定300公里圆轨道，发射任务取得圆满成功，实现了中国民营运载火箭零的突破。

总体而言，中国已加入成熟的航天国家行列：在2020年，中国超过俄罗斯，几乎与美国持平，完成了39次发射。自从中国于2014年开始允许私营公司参与以来，其国内太空部门一直在蓬勃发展。涉及的公司数量已从2018年的30家增加到一百多家。

“ 3D打印技术已成为火箭制造过程中的中流砥柱技术，” 3D科学谷创始人Kitty Wang（王晓燕）认为，3D打印技术正在催生火箭制造的新赛道，不过Kitty认为，这条赛道上会有越来越多的新加入者，竞争会愈发激烈，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的火箭制造3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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