2021年7月，深藍(lán)航天成功實現(xiàn)中國首例液氧煤油火箭垂直回收試驗“蚱蜢跳”，10月再次成功實現(xiàn)中國首例液氧煤油火箭百米級垂直回收試驗，兩次試驗所使用的發(fā)動機(jī)均使用3D打印制造。2022年初，深藍(lán)航天宣布完成近2億人民幣的A輪融資，所募集到的資金除了將用于火箭研制、可回收重復(fù)使用技術(shù)的驗證及發(fā)射準(zhǔn)備等工作外，還特意強(qiáng)調(diào)將用于3D打印增材制造工藝及可回收重復(fù)使用能力的測試與研究。

國內(nèi)外媒體普遍將深藍(lán)航天與SpaceX比較，兩者在研發(fā)進(jìn)程和技術(shù)的運(yùn)用方面極其相似。尤其對3D打印技術(shù)的應(yīng)用，兩家公司都表現(xiàn)出了相比其他民營航天更強(qiáng)的興趣。本期，3D打印技術(shù)參考通過專訪深藍(lán)航天，介紹該公司如何使用3D打印技術(shù)，及其在應(yīng)用過程中遇到的問題和取得的效益。

主動將3D打印納入設(shè)計生產(chǎn)流程

深藍(lán)航天火箭發(fā)動機(jī)制造技術(shù)在國內(nèi)獨(dú)樹一幟，由于傳統(tǒng)的加工手段在復(fù)雜部件的制造能力、生產(chǎn)效率和綜合成本方面皆無法與3D打印相比，深藍(lán)航天在產(chǎn)品設(shè)計之初就采取了增材設(shè)計思維。其自行研制的“雷霆-5”和“雷霆-20A”液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)在方案設(shè)計時就優(yōu)先選用激光粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，增材設(shè)計思維減少了出圖數(shù)量，提高了設(shè)計效率，同時為產(chǎn)品制造爭取了周期。

搭載“星云-M”1號試驗火箭成功實現(xiàn)“蚱蜢跳”的雷霆-5發(fā)動機(jī)全機(jī)85%重量的零件都由3D打印技術(shù)制作。采用傳統(tǒng)工藝制造的液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵用離心輪、渦輪盤等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，涉及五軸機(jī)加工、焊接、電火花等多種工藝，存在生產(chǎn)流程長、加工效率低等問題。3D打印技術(shù)本身具有對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不敏感的特性，深藍(lán)航天采用3D打印制造渦輪泵離心輪、渦輪盤等產(chǎn)品實現(xiàn)了尺寸和性能一致性好，整體生產(chǎn)效率高，綜合總成本低的優(yōu)勢。

在產(chǎn)品的集成化制造方面，3D打印同樣為深藍(lán)航天提高了產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。點(diǎn)火器在傳統(tǒng)制造方案中由多個機(jī)加工零件裝配焊接而成，對產(chǎn)品組件的裝配質(zhì)量、焊接質(zhì)量要求極高，工藝過程復(fù)雜。采用3D打印技術(shù)制備的點(diǎn)火器僅有一個零件，僅需要數(shù)控加工連接接口即可交付裝配；且一次可打印多個零件，打印周期僅需一周左右，縮短了產(chǎn)品交付周期，規(guī)避了很多質(zhì)量風(fēng)險。

深藍(lán)航天表示，與傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機(jī)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)助力深藍(lán)航天達(dá)成了以下目標(biāo)：

• 突破傳統(tǒng)設(shè)計思維與制造的局限性，為設(shè)計人員提供更大的設(shè)計自由度；

• 優(yōu)化零件流道流動性能，為燃料和冷卻劑通過多腔道/多流道分配提供新的可能性；

• 降低零件裝配錯誤風(fēng)險，提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性；

• 減少加工步驟，省略中間環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率；

• 縮短產(chǎn)品研制周期，使產(chǎn)品研制總成本更具競爭力。

克服多重困難，優(yōu)化產(chǎn)品制造方案，保證產(chǎn)品質(zhì)量

3D打印技術(shù)在航天液體火箭發(fā)動機(jī)領(lǐng)域也是近幾年才有了很多的應(yīng)用場景，深藍(lán)航天也僅在2021年完成雷霆-5整機(jī)飛行考核。在這個過程中研發(fā)團(tuán)隊需要攻克的難點(diǎn)很多。例如，在雷霆-20A推力室設(shè)計方案初期，深藍(lán)航天需要解決很多問題。具體來說，推力室圓柱段內(nèi)部冷卻流道的理算尺寸如何通過3D打印保證，成型后產(chǎn)品內(nèi)流道的內(nèi)表面光潔度是多少，內(nèi)流道表面成型質(zhì)量對介質(zhì)流速、流阻的實際使用特性有什么影響。

為了攻克這些難點(diǎn)問題，研發(fā)設(shè)計人員與3D打印服務(wù)商反復(fù)溝通確認(rèn)，最終才形成了現(xiàn)有的打印成型方案；另外，研發(fā)人員受限于現(xiàn)有3D打印設(shè)備的有效成型尺寸，雷霆-20A 推力室收擴(kuò)段被迫由一個零件拆解成2個零件——收擴(kuò)段和延伸段，雷霆-20A 收擴(kuò)段的打印采用了效成型尺寸為600*600*600mm的國產(chǎn)3D打印設(shè)備，而延伸段采用旋壓成型的方案。

在材料的使用方面，深藍(lán)航天表示，當(dāng)前3D打印使用的材料基本滿足深藍(lán)航天的研制需求。目前，3D打印大量應(yīng)用的粉末材料牌號有GH4169、TC4、316L，還有少量的AlSi10Mg鋁合金粉末。這些牌號在國內(nèi)已經(jīng)有很成熟的制備工藝和產(chǎn)品線，市場供應(yīng)基本穩(wěn)定，粉末廠家也會前置一定量的安全庫存，規(guī)避用戶的加急采購，一般的供貨周期在3-5天。

通常情況下，航空航天領(lǐng)域會對金屬3D打印的質(zhì)量存在疑慮，對此，深藍(lán)航天表示會從設(shè)計源頭上進(jìn)行把控。針對3D打印材料性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等特性對設(shè)計做適應(yīng)性調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

加速迭代，完成國內(nèi)首次3D打印火箭發(fā)動機(jī)真實飛行工況考核

雷霆-5型液體火箭發(fā)動機(jī)，是國內(nèi)首型使用3D打印技術(shù)制造的針?biāo)ㄊ诫妱颖靡貉趺河桶l(fā)動機(jī)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用加速了設(shè)計-制造-設(shè)計的迭代。

在2020年初，雷霆-5液氧煤油發(fā)動機(jī)進(jìn)行了首次整機(jī)變推力長程試車，試驗成功。雷霆-5從方案設(shè)計到整機(jī)試車僅僅用時8個月。

2021年7月，雷霆-5助推 “星云-M”1號試驗火箭完成了首次垂直起飛和垂直降落自由飛行，即被稱之為“蚱蜢跳”的運(yùn)載火箭垂直回收飛行試驗，試驗任務(wù)取得圓滿成功。

在國內(nèi)首次完成了由3D打印制造火箭發(fā)動機(jī)的真實飛行工況考核。目前已有20余件3D打印產(chǎn)品應(yīng)用于深藍(lán)航天液體火箭發(fā)動機(jī)總裝、總測。

充分依靠3D打印供應(yīng)鏈，形成自主生產(chǎn)能力

深藍(lán)航天表示，公司目前在國內(nèi)有2-3家穩(wěn)定的3D打印合作伙伴，2021年與其中一家簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，保障2022年6-8套推力室和渦輪泵等3D打印服務(wù)穩(wěn)定供應(yīng)。現(xiàn)階段3D打印服務(wù)滿足該公司的研制計劃，不會是深藍(lán)航天產(chǎn)品研制的瓶頸。

深藍(lán)航天感謝這些3D打印合作伙伴長期以來的支持！他們提供了質(zhì)量穩(wěn)定的3D打印產(chǎn)品，特別是在雷霆-5、雷霆-20A發(fā)動機(jī)設(shè)計方案階段，給深藍(lán)航天提出了很多寶貴的建議，規(guī)避了很多產(chǎn)品成型質(zhì)量風(fēng)險。深藍(lán)航天期望和他們在未來有更深入的合作，除了在產(chǎn)品3D打印方面提供服務(wù)外，在特征結(jié)構(gòu)打印、工藝支撐方案設(shè)計、粉末和產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)等方面充分進(jìn)行技術(shù)交流，實現(xiàn)知識共享和技術(shù)突破，共同推進(jìn)3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

未來，深藍(lán)航天將繼續(xù)秉持輕量化設(shè)計、一體化設(shè)計等先進(jìn)的設(shè)計思想，為液體火箭特有構(gòu)件一體化快速成型、超大幅面精密結(jié)構(gòu)件輕量化制造等3D打印技術(shù)提供工程應(yīng)用場景。

利用3D打印的技術(shù)優(yōu)勢，快速制造高質(zhì)量產(chǎn)品，加速深藍(lán)航天設(shè)計的迭代速度。2022年初，深藍(lán)航天開始規(guī)劃自有增材制造產(chǎn)能，預(yù)計到2022年底初步實現(xiàn)小批量產(chǎn)品3D打印制造能力，到2024年前深藍(lán)航天將在南通工廠建成增材制造+智能制造生產(chǎn)基地，加速推進(jìn)航天產(chǎn)品增材制造產(chǎn)業(yè)化。同時，深藍(lán)航天研發(fā)團(tuán)隊將攻關(guān)銅材3D打印技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步提高3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

END

深藍(lán)航天CEO霍亮表示，3D打印發(fā)動機(jī)一旦成熟應(yīng)用，意味著火箭發(fā)射成本將進(jìn)一步降低。據(jù)公開報道，SpaceX獵鷹9號火箭每次發(fā)射收費(fèi)約6200萬美元，而Rocket Lab為NASA提供的月球發(fā)射任務(wù)的報價僅約1000萬美元，后者的火箭正是大規(guī)模采用了3D打印技術(shù)。如果再能實現(xiàn)重復(fù)使用，這將大大提高其利潤空間。

3D打印技術(shù)可以顯著縮短產(chǎn)品制造流程，降低成本。集成化的制造優(yōu)勢能夠?qū)⒃瓉碛袛?shù)百個零件組成的部件通過設(shè)計實現(xiàn)合并，從而大大減少零件數(shù)量、提高制造效率，并減少事故率。此外，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的市場供應(yīng)商受限，3D打印技術(shù)市場供應(yīng)商更多，來源廣泛，市場化環(huán)境在競爭中有更加顯著的優(yōu)勢。

來源：3D打印技術(shù)參考