年度總結：2021年中國航空航天領域3D打印技術10大應用
時間：2022-01-01 12:11 來源：3D打印技術參考 作者：admin 閱讀：次
2021年，中國航天事業發展如火如荼，空間站建設和探測器登陸火星均取得巨大成功；50多次發射奪得全球數量第一并刷新了本國年度紀錄。在商業航天領域，深藍航天、
零壹空間、星際榮耀等公司動作頻繁，表現 同樣搶眼。3D打印技術繼續在這個領域發揮重要作用，本期， 3D打印技術參考對本年度航空航天領域的3D打印技術應用進行總結。
1. 零壹空間OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控動力系統產品飛行，試驗取得圓滿成功
2021年2月5日，零壹空間科技集團有限公司自主研發的OS-X6B新型智能亞軌道火箭暨“重慶兩江之星”在西北某發射場成功發射，試驗載荷成功分離，全程飛行正常。該枚火箭為零壹空間OS-X系列商業火箭，是為航空航天技術驗證量身打造的專用飛行試驗平臺，OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控動力系統產品飛行。
零壹空間OS-X6B火箭及姿控動力系統整機
零壹空間自研姿控動力系統取消傳統管路連接各功能部件，創新性應用鈦合金3D打印技術，以異型氣瓶為基礎，對系統進行一體化設計，且提前預制了內部流通孔道，減少管路組件，實現了與傳統管路連接方案相同功能前提下，全系統減重34.38%，質量不超過10kg，系統結構可靠性大幅提高，在3000g沖擊環境條件下適應性良好。
2. 空天引擎“炎馭一號甲”火箭發動機核心部件均采用3D打印工藝路線
2021年4月23日，空天引擎自主研發的“炎馭一號甲”液氧煤油發動機圓滿完成協調性熱試車，中國航天報進行了報道。“炎馭一號”系列發動機核心部件推力室、燃氣發生器等均采用3D打印工藝路線，設計靈活性大幅提高，制造效率顯著提升，大幅度降低了小型泵壓式火箭發動機的研制周期和成本。
炎馭一號甲發動機（來源：中國航天報）
相對美國Rocket Lab公司“電子號”火箭的“盧瑟福”發動機，“炎馭一號”系列發動機節省了大量的電池和電機等組件，降低了火箭和發動機的死重，并且發動機比沖顯著高于“盧瑟福”發動機，能有效提高火箭的載荷能力。目前國內無成熟的2T級推力火箭發動機，該型號首次實現基于燃氣發生器熱力循環的2T級液氧煤油發動機全系統驗證，填補了國內該型號空白，可對中國航天液體動力提供有益補充，將為中國商業航天領域增添新的動力型譜，更能促進火箭發射的成本降低和技術發展，為未來商業航天、各類飛行器增加了更多的選擇空間。
3. 中國空間站相關研制工作廣泛采用金屬3D打印技術
北京時間2021年4月29日，中國空間站核心艙“天和號”成功發射，并最終進入預定軌道，按照計劃，空間站夢天艙將于明年發射。3D打印技術參考從中國空間技術研究院獲悉，夢天艙的 重要結構件導軌支架采用了3D打印的 薄壁蒙皮點陣結構，鉑力特參與了該部件初樣的試制工作。所設計的點陣單元為BCC形式，整個導軌支架共11塊，每個結構塊由BLT-S510一體成形，即同時打印出內部的點陣結構和外側的蒙皮結構，單件最大尺寸為400mm×500mm×400mm，單件打印時間約150小時，打印完成后組裝拼接最大部分尺寸可達2000mm。
3D打印的蒙皮點陣結構（示意）
蒙皮點陣結構已經成熟用于航天器結構產品。3D打印技術參考還于《機械工程學報》獲悉，航天五院設計的一種封閉蒙皮包裹三維點陣層級結構的設備支撐結構，比采用傳統設計及制造方法的結構減重46.4%，實物已應用于某型號衛星載荷支撐任務。封閉蒙皮包裹三維點陣的結構形式可以有效提高支架類結構的設計效率，在航天器結構輕量化方面具有推廣應用前景。
4. “天問一號”攜“祝融火星車”成功落火，3D打印發揮重要作用
北京時間2021年5月15日8時20分左右，中國首枚火星探測器“天問”一號成功著陸火星北半球的烏托邦平原。根據中國航天科技集團的消息，航天五院529廠針對“嫦娥”系列、火星探測器等新一代輕量化航天器發展需求，積極開展3D打印技術的研究與應用，取得了較好的效果。該廠研究人員介紹道，相比于傳統鑄件或者鍛造產品，3D打印的產品研制周期明顯縮短，力學性能得到提升。
天問一號探測器著陸過程（來源：航天五院）
在天問一號探測器上，航天六院研制交付了著陸巡視器和環繞器的推進分系統，共計48臺大大小小的發動機。其中，作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機在制造過程中因3D打印技術的使用取得了重要效益：重量和體積只有以前發動機的三分之一，結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次采用3D打印技術，一次打印成型避免大余量去除原實心棒材或鍛件引起的變形，也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。
5. 長征二號F火箭發射神舟十二載人飛船，3D打印使火箭發動機更加可靠
6月17日，長征二號F遙十二運載火箭托舉著載有聶海勝、劉伯明、湯洪波三名航天員的神舟十二號載人飛船駛向太空，入住我國空間站。作為生產制造該火箭所用芯一級發動機、二級發動機、助推器發動機的航天科技集團六院7103廠，采用了3D打印技術制造所需零件，實現了發動機更可靠，效率速度也得到了雙提升。
發動機推力室隔板加強肋的工藝改進，是在本次火箭配套發動機16項工藝狀態變化中最典型的代表之一。3D打印技術的應用實現了加強肋產品加工方法的“雙創新”：一方面實現了工藝制造技術創新，突破了傳統工藝制造難題，解決了因結構限制導致產品合格率低的問題；另一方面實現了高效、快捷、綠色的制造模式創新，突破傳統制造模式低生產效率瓶頸，解決了多種廢液、粉塵氣味等環保問題，可直接制備出形狀復雜、性能穩定的產品。相比于傳統鑄件，產品尺寸精度及穩定性更高，產品多項性能指標接近甚至超過傳統鑄件歷史最高值。7103廠增材制造創新中心主任楊歡慶指出，“通過3D打印技術替代熔模精密鑄造工藝，加強肋制造周期縮短了75%，合格率由不足20%提升至98%，成本降低了30%。”
1. 零壹空間OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控動力系統產品飛行，試驗取得圓滿成功
2021年2月5日，零壹空間科技集團有限公司自主研發的OS-X6B新型智能亞軌道火箭暨“重慶兩江之星”在西北某發射場成功發射，試驗載荷成功分離，全程飛行正常。該枚火箭為零壹空間OS-X系列商業火箭，是為航空航天技術驗證量身打造的專用飛行試驗平臺，OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控動力系統產品飛行。
零壹空間OS-X6B火箭及姿控動力系統整機
零壹空間自研姿控動力系統取消傳統管路連接各功能部件，創新性應用鈦合金3D打印技術，以異型氣瓶為基礎，對系統進行一體化設計，且提前預制了內部流通孔道，減少管路組件，實現了與傳統管路連接方案相同功能前提下，全系統減重34.38%，質量不超過10kg，系統結構可靠性大幅提高，在3000g沖擊環境條件下適應性良好。
2. 空天引擎“炎馭一號甲”火箭發動機核心部件均采用3D打印工藝路線
2021年4月23日，空天引擎自主研發的“炎馭一號甲”液氧煤油發動機圓滿完成協調性熱試車，中國航天報進行了報道。“炎馭一號”系列發動機核心部件推力室、燃氣發生器等均采用3D打印工藝路線，設計靈活性大幅提高，制造效率顯著提升，大幅度降低了小型泵壓式火箭發動機的研制周期和成本。
炎馭一號甲發動機（來源：中國航天報）
相對美國Rocket Lab公司“電子號”火箭的“盧瑟福”發動機，“炎馭一號”系列發動機節省了大量的電池和電機等組件，降低了火箭和發動機的死重，并且發動機比沖顯著高于“盧瑟福”發動機，能有效提高火箭的載荷能力。目前國內無成熟的2T級推力火箭發動機，該型號首次實現基于燃氣發生器熱力循環的2T級液氧煤油發動機全系統驗證，填補了國內該型號空白，可對中國航天液體動力提供有益補充，將為中國商業航天領域增添新的動力型譜，更能促進火箭發射的成本降低和技術發展，為未來商業航天、各類飛行器增加了更多的選擇空間。
3. 中國空間站相關研制工作廣泛采用金屬3D打印技術
北京時間2021年4月29日，中國空間站核心艙“天和號”成功發射，并最終進入預定軌道，按照計劃，空間站夢天艙將于明年發射。3D打印技術參考從中國空間技術研究院獲悉，夢天艙的 重要結構件導軌支架采用了3D打印的 薄壁蒙皮點陣結構，鉑力特參與了該部件初樣的試制工作。所設計的點陣單元為BCC形式，整個導軌支架共11塊，每個結構塊由BLT-S510一體成形，即同時打印出內部的點陣結構和外側的蒙皮結構，單件最大尺寸為400mm×500mm×400mm，單件打印時間約150小時，打印完成后組裝拼接最大部分尺寸可達2000mm。
3D打印的蒙皮點陣結構（示意）
蒙皮點陣結構已經成熟用于航天器結構產品。3D打印技術參考還于《機械工程學報》獲悉，航天五院設計的一種封閉蒙皮包裹三維點陣層級結構的設備支撐結構，比采用傳統設計及制造方法的結構減重46.4%，實物已應用于某型號衛星載荷支撐任務。封閉蒙皮包裹三維點陣的結構形式可以有效提高支架類結構的設計效率，在航天器結構輕量化方面具有推廣應用前景。
4. “天問一號”攜“祝融火星車”成功落火，3D打印發揮重要作用
北京時間2021年5月15日8時20分左右，中國首枚火星探測器“天問”一號成功著陸火星北半球的烏托邦平原。根據中國航天科技集團的消息，航天五院529廠針對“嫦娥”系列、火星探測器等新一代輕量化航天器發展需求，積極開展3D打印技術的研究與應用，取得了較好的效果。該廠研究人員介紹道，相比于傳統鑄件或者鍛造產品，3D打印的產品研制周期明顯縮短，力學性能得到提升。
天問一號探測器著陸過程（來源：航天五院）
在天問一號探測器上，航天六院研制交付了著陸巡視器和環繞器的推進分系統，共計48臺大大小小的發動機。其中，作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機在制造過程中因3D打印技術的使用取得了重要效益：重量和體積只有以前發動機的三分之一，結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次采用3D打印技術，一次打印成型避免大余量去除原實心棒材或鍛件引起的變形，也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。
5. 長征二號F火箭發射神舟十二載人飛船，3D打印使火箭發動機更加可靠
6月17日，長征二號F遙十二運載火箭托舉著載有聶海勝、劉伯明、湯洪波三名航天員的神舟十二號載人飛船駛向太空，入住我國空間站。作為生產制造該火箭所用芯一級發動機、二級發動機、助推器發動機的航天科技集團六院7103廠，采用了3D打印技術制造所需零件，實現了發動機更可靠，效率速度也得到了雙提升。
發動機推力室隔板加強肋的工藝改進，是在本次火箭配套發動機16項工藝狀態變化中最典型的代表之一。3D打印技術的應用實現了加強肋產品加工方法的“雙創新”：一方面實現了工藝制造技術創新，突破了傳統工藝制造難題，解決了因結構限制導致產品合格率低的問題；另一方面實現了高效、快捷、綠色的制造模式創新，突破傳統制造模式低生產效率瓶頸，解決了多種廢液、粉塵氣味等環保問題，可直接制備出形狀復雜、性能穩定的產品。相比于傳統鑄件，產品尺寸精度及穩定性更高，產品多項性能指標接近甚至超過傳統鑄件歷史最高值。7103廠增材制造創新中心主任楊歡慶指出，“通過3D打印技術替代熔模精密鑄造工藝，加強肋制造周期縮短了75%，合格率由不足20%提升至98%，成本降低了30%。”
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