前言：從1985年到1988年10月間，美國航天飛機(jī)的發(fā)射價(jià)格增加了85%，每次發(fā)射費(fèi)用飆升到9000萬美元。2008年，NASA啟動(dòng)了“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”項(xiàng)目，旨在為國際空間站發(fā)展商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)。這是美國太空探索戰(zhàn)略有史以來較大的一次轉(zhuǎn)型。私營公司成為了研發(fā)制造航天運(yùn)載器的主力，NASA則扮演“甲方”的角色。美國載人航天計(jì)劃：從火箭到飛船，甚至防熱層均由商業(yè)公司制造，載人登月計(jì)劃：指令艙、服務(wù)艙、登月艇和月球車都是通過招標(biāo)由商業(yè)公司完成。

 

可以說那些參與競(jìng)爭(zhēng)招標(biāo)的商業(yè)公司才是美國航天大秀中的主角，它們的助力使美國至今保持全球航空航天工業(yè)的領(lǐng)頭羊位置。而競(jìng)爭(zhēng)促使企業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)創(chuàng)新、降低成本，加快航天技術(shù)革新的步伐。國際商業(yè)航空公司無一不對(duì)新技術(shù)趨之若鶩，3D打印便是其中之一，本期，跟隨筆者了解這些航天公司以及他們?cè)?D打印方面的應(yīng)用。

 

1. SpaceX發(fā)射帶有3D打印部件的載人龍飛船

 

SpaceX由馬斯克于2002年創(chuàng)立。2012年10月，SpaceX龍飛船將貨物送至國際空間站，開啟私營航天的新時(shí)代。2015年12月，SpaceX實(shí)現(xiàn)火箭全面回收，并計(jì)劃于2019年中，采用帶有3D打印部件的龍飛船運(yùn)送兩名太空游客進(jìn)行繞月旅行。

龍飛船內(nèi)部

SpaceX使用3D打印初期也是從非關(guān)鍵部件開始。2014年，SpaceX成功發(fā)射獵鷹9號(hào)火箭，獵鷹9號(hào)含有大量3D打印零件，其中包含關(guān)鍵的主氧化器閥體。該閥體僅用兩天即完成制作，相較需要數(shù)月時(shí)間才能完成加工的傳統(tǒng)方式優(yōu)勢(shì)明顯，更為關(guān)鍵的是該部件在發(fā)射的高震動(dòng)、高熱量和高壓力下正常運(yùn)行。

SpaceX 3D打印的氧化器閥體（SLM，來自馬斯克twitter）

2013年，SpaceX即開始使用3D打印制造SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器燃燒室，燃燒室采用鎳鉻高溫合金，安裝在龍飛船內(nèi)部，是航天器發(fā)射逃生系統(tǒng)的一部分。如果在發(fā)射過程中發(fā)生意外，內(nèi)置在龍飛船一側(cè)的八個(gè)SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)將帶領(lǐng)宇航員到達(dá)安全地點(diǎn)。從2013年至今，SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)已完成上百次3D打印關(guān)鍵組件的測(cè)試。

SuperDraco發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器測(cè)試過程

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)相比，使用增材制造不僅能夠顯著地縮短火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的交貨期并降低制造成本，同時(shí)，3D打印也可展現(xiàn)“材料的高強(qiáng)度、延展性、抗斷裂性和低可變性等”優(yōu)良屬性。

 

2. 藍(lán)色起源重復(fù)發(fā)射帶有3D打印零件的火箭

 

藍(lán)色起源(Blue Origin)是亞馬遜CEO杰夫·貝索斯 (筆者推薦《一網(wǎng)打盡》) 旗下的一家商業(yè)太空公司，2000年成立。2015年11 月，藍(lán)色起源實(shí)現(xiàn)“新謝潑德”火箭發(fā)射和回收，隨后又實(shí)現(xiàn)火箭的重復(fù)發(fā)射，該公司還是獲得NASA資助的4家公司之一，由此可見這家公司的實(shí)力。它只是最不為人知，貝索斯比馬斯克要低調(diào)的多。

 

藍(lán)色起源火箭回收實(shí)驗(yàn)

藍(lán)色起源在3D打印方面進(jìn)行了大量投資，充分采用新技術(shù)進(jìn)行可行性嘗試，僅新謝潑德太空船上就有超過400個(gè)增材制造的零件。而其下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)BE-4，更是有很多關(guān)鍵部件采用3D打印制造，如發(fā)動(dòng)機(jī)增壓泵（OBP）外殼采用鋁合金打印，內(nèi)部集成了傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜流道；液壓渦輪采用鎳基合金打印，僅需要最少的加工即可達(dá)到所需的配合，類似的還有渦輪噴嘴和轉(zhuǎn)子也是如此。

BE-4 3D打印OBP增壓泵

藍(lán)色起源總裁在將傳統(tǒng)鑄造方法制作的零件與3D打印零件進(jìn)行比較時(shí)，闡明了藍(lán)色起源3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)方法需要一年才能完成的工作，3D打印僅花了3個(gè)月時(shí)間，3D打印為藍(lán)色起源帶來“開發(fā)時(shí)間的重大進(jìn)步”。

 

3. 洛克達(dá)因3D打印迄今為止很大引擎部件

 

洛克達(dá)因（Aerojet Rocketdyne）的歷史要追溯到1942 年，二戰(zhàn)前后，是世界公認(rèn)的為航天、導(dǎo)彈和戰(zhàn)略系統(tǒng)提供推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)品牌，同時(shí)在3D打印技術(shù)的應(yīng)用方面也處于先進(jìn)地位。

 

2016年，洛克達(dá)因與NASA簽署了一項(xiàng)金額為16億美元的合同，為后者開發(fā)RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，3D打印是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。至今，RS-25完成了多次3D打印組件的測(cè)試，其中采用SLM制造的pogo蓄能器是Aerojet迄今為止很大的3D打印引擎部件，該部件使焊接量減少了78％，對(duì)于減少飛行過程中的引擎振動(dòng)具有重要作用。

RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)pogo組件400秒熱火測(cè)試

盡管Pogo蓄能器組件是發(fā)動(dòng)機(jī)中很大的3D打印組件，但它并不是Unique component，因?yàn)锳erojet Rocketdyne越來越多地轉(zhuǎn)向增材制造技術(shù)，以創(chuàng)造復(fù)雜且成本更低的部件。美國要求2019年之前必須擺脫對(duì)俄RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴，洛克達(dá)因AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成為藍(lán)色起源BE-4對(duì)RD-180替代發(fā)動(dòng)機(jī)的備選，但AR1仍將低風(fēng)險(xiǎn)、成本低視為目標(biāo)。在AR1開發(fā)過程中，3D打印發(fā)揮了重要作用。使用傳統(tǒng)制造工藝，往往需要六個(gè)月才能生產(chǎn)出一個(gè)單件噴油器，一年時(shí)間才能制造出一個(gè)全尺寸的預(yù)燃室噴油器，而3D打印在一個(gè)月內(nèi)就完成了一個(gè)單件噴油器從設(shè)計(jì)、到制造、再到測(cè)試的過程，并在三個(gè)月內(nèi)制造出一個(gè)小尺寸的噴油器。如此大幅削減了開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

除了將3D打印技術(shù)用于AR1部件的原型和測(cè)試之外，Aerojet Rocketdyne也在使用該技術(shù)來創(chuàng)建制造的部件，從而將3D打印技術(shù)的應(yīng)用從開發(fā)環(huán)境過渡到置換環(huán)境。雖然該公司真正將3D打印的部件用于AR1或其它火箭當(dāng)中還需要滿足嚴(yán)格的技術(shù)和質(zhì)量要求，但是這一可能性已經(jīng)越來越大。

 

4. 維珍銀河采用3D打印加快太空商業(yè)旅游的步伐

 

維珍銀河于2004年成立，2012年，維珍銀河太空商業(yè)旅游業(yè)務(wù)正式開售，皮特、小李子、比伯已陸續(xù)夠買了其太空票，3D打印為幫助他們?cè)缛者M(jìn)入太空做出了重要貢獻(xiàn)。

維珍銀河航天飛機(jī)

維珍銀河的關(guān)鍵目標(biāo)是減少生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造所需的時(shí)間。利用DMG增減材一體設(shè)備，每小時(shí)可打印4.5公斤、1.5米高、1米寬的零件。這意味著采用打印機(jī)可以制造包括燃燒室組件在內(nèi)的主要系統(tǒng)，而不僅僅是螺栓和支架。這些龐大、復(fù)雜和高質(zhì)量要求的部件，無法在傳統(tǒng)的3D打印機(jī)上構(gòu)建。以往需要一年時(shí)間制作的燃燒室如今僅需要一個(gè)月時(shí)間即可制造完成。

                                              

維珍銀河增減材直接制造

 大量減少時(shí)間和成本具有短期和長(zhǎng)期效益。短期是成本和交付周期的縮短；但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，維珍銀河正處于火箭制造和新一代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)根本變革的階段，這些技術(shù)將加速其進(jìn)入太空的步伐。

 

5. Launcher3D打印銅合金發(fā)動(dòng)機(jī)組件

 

Launcher成立于2017年，目前已將10顆衛(wèi)星送入軌道。Launcher采用銅合金3D打印的“Engine-1” 發(fā)動(dòng)機(jī)已成功試射，該公司在低成本商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的道路上又向前邁進(jìn)了一步。

3D打印銅E1引擎組件

與同類航空航天初創(chuàng)公司（SpaceX、維珍銀河、Blue Origin和Aerojet Rocketdyne等）一樣，Launcher 正在其軌道任務(wù)中采用3D打印技術(shù)。通過增材制造，Launcher能夠以比傳統(tǒng)制造更快的速度開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，在過去兩年中，該公司已經(jīng)成功地進(jìn)行了至少8次由鎳基合金制造的3D打印推進(jìn)室熱火試驗(yàn)。

                                                   

3D打印銅合金E1發(fā)動(dòng)機(jī)成功測(cè)試

2018年6月，Launcher與EOS確認(rèn)了制造合作關(guān)系。Launcher采用EOS M290打印了銅合金E1引擎，其冷卻能力與燃燒效率比鎳基合金表現(xiàn)更好。3D打印的使用使發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)更具成本效益，同時(shí)也為新材料的測(cè)試減少了時(shí)間成本。

 

除卻上述企業(yè)之外，商業(yè)航空公司還有SpaceWorks、Rocket Lab、Relativity Space等，無一沒有使用3D打印，其中Relativity的目標(biāo)更是要3D打印整個(gè)運(yùn)載火箭，篇幅所限不一一介紹。3D打印的在航空業(yè)中的作用主要體現(xiàn)在加速開發(fā)、節(jié)省成本、突出結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)。

 

但無論哪家公司要3D打印何種組件，都要經(jīng)過上百次的重復(fù)試驗(yàn)以確保安全，從中我們可以看出航空的探索精神。

 

相比我國的商業(yè)航空尚處于起步階段，未來的進(jìn)步空間巨大，相應(yīng)的資金投入也會(huì)越來越多，3D打印所能起到的作用也將是至關(guān)重要。中國的科技界的巨頭們做好準(zhǔn)備了嗎？