2021年12月7日，谷神星一號(hào)商業(yè)運(yùn)載火箭于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，星河動(dòng)力(北京)空間科技有限公司（下稱(chēng)“星河動(dòng)力航天”）成為了國(guó)內(nèi)首家掌握500km一箭多星商業(yè)發(fā)射能力、首家實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射成功的民營(yíng)航天企業(yè)，該公司秉持“固液并舉”發(fā)展戰(zhàn)略，同步自主研制的中大型重復(fù)使用液體火箭智神星一號(hào)在兩個(gè)月后也傳來(lái)好消息——主動(dòng)力裝置蒼穹50噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)圓滿(mǎn)成功，輔助動(dòng)力系統(tǒng)300N、50N發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)地面熱試車(chē)，這標(biāo)志著該公司中大型重復(fù)使用液體運(yùn)載火箭蓄勢(shì)待發(fā)。

根據(jù)此前的公開(kāi)信息，我們已經(jīng)了解到星河動(dòng)力公司已經(jīng)開(kāi)始使用3D打印技術(shù)，這是實(shí)現(xiàn)低成本和快速研制的重要因素。近期，3D打印技術(shù)參考專(zhuān)訪(fǎng)了星河動(dòng)力，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次向媒體介紹了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用情況。

星河動(dòng)力3D打印技術(shù)應(yīng)用概況

星河動(dòng)力可重復(fù)使用中大型液體運(yùn)載火箭“智神星一號(hào)”主動(dòng)力裝置“蒼穹”發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一些殼體類(lèi)零組件的空間結(jié)構(gòu)、葉片類(lèi)零組件的葉型以及推力室類(lèi)零組件的流道均較為復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的機(jī)加工藝方法難以實(shí)現(xiàn)，且加工周期較長(zhǎng)、成本較高，3D打印存在明顯的技術(shù)和工藝優(yōu)勢(shì)。借助于此，星河動(dòng)力在該發(fā)動(dòng)機(jī)中大量使用3D打印技術(shù)：渦輪泵3D打印件重量占比約65%，發(fā)生器3D打印件重量占比約75%，主管路90%為3D打印件，推力室3D打印部分占比約30%，閥門(mén)殼體類(lèi)零件約90%均為3D打印制造。

“蒼穹”40噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

星河動(dòng)力小型運(yùn)載火箭“谷神星一號(hào)”的四級(jí)——“邊界”軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)，其中的集合環(huán)以及經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)后的多機(jī)集合塊也使用了3D打印技術(shù)，從而極大簡(jiǎn)化了管路接口，優(yōu)化了機(jī)加過(guò)程。

2000N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品

在“邊界”系列軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就將3D打印方案納入考慮，因?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則之一就是低成本、高效能，3D打印與動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則需要契合。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路相比，設(shè)計(jì)師不再一味追求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線(xiàn)條單一、易于加工的零件形式，而是以性能、強(qiáng)度、重量等為主要導(dǎo)向的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，且要與3D打印成型具有良好的匹配性，因此對(duì)設(shè)計(jì)師也提出了更高的要求。通過(guò)該路徑制造的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了輕量化、個(gè)性化、一體化、復(fù)雜化的總體性能提升。

然而，當(dāng)前大部分設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)主要來(lái)自傳統(tǒng)機(jī)加，3D打印相比于傳統(tǒng)機(jī)加在設(shè)計(jì)上需要額外考慮產(chǎn)品型面、弧度、角度、支撐以及打印方向等問(wèn)題，初次接觸3D打印的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可能無(wú)法直接打印，需要反復(fù)幾次，但熟練3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本原則后，則能快速設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)機(jī)加難以加工的產(chǎn)品構(gòu)型，與仿真軟件相結(jié)合能夠設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、性能好的產(chǎn)品。

3D打印為星河動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造解決了哪些實(shí)際問(wèn)題

3D打印對(duì)總裝導(dǎo)管的優(yōu)勢(shì)在于克服了大直徑薄壁管路無(wú)法彎曲成型的難題，新工藝使管路變向處的壁厚與直管段壁厚一致，保證了裝配的可靠性。3D打印對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是復(fù)雜內(nèi)腔的加工，如采用3D打印的控制閥座內(nèi)腔可以設(shè)置復(fù)雜的通道，減少了使用控制導(dǎo)管帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜性。

渦輪泵的泵輪與蝸殼在設(shè)計(jì)之初，分別進(jìn)行了簡(jiǎn)單型面的機(jī)加方案與復(fù)雜型面的3D打印方案設(shè)計(jì)，后者較前者效率提高約5%。另外，渦輪盤(pán)也同樣采取了機(jī)加成型與3D打印成型兩種方案，機(jī)加成型需要20～25天，3D打印僅需要3～4天，大大縮短了制造周期與成本。

渦輪泵零組件

渦輪泵水試件裝配完成圖

軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)的多機(jī)集合塊，如果按照傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)會(huì)增加大量工藝孔，這些工藝孔在內(nèi)部流道加工完成后需要進(jìn)行焊接封堵，工藝較為復(fù)雜，采用3D打印技術(shù)能夠一次成型，只需在對(duì)接面留余量機(jī)加到設(shè)計(jì)公差即可滿(mǎn)足使用要求，提升了加工的便利性，縮短了加工周期。

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軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)試車(chē)

大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室通常采用再生冷卻的方式進(jìn)行燃燒室熱防護(hù)工作，其制造工藝過(guò)程都極其細(xì)致和復(fù)雜，整個(gè)制造過(guò)程通常都長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久，生產(chǎn)過(guò)程中任何一個(gè)小小的失誤，都可能導(dǎo)致整個(gè)推力室的報(bào)廢，因此推力室的造價(jià)也非常高。

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發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)

3D打印等增材制造技術(shù)使制造廉價(jià)版再生冷卻推力室成為可能，國(guó)外航天企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)通過(guò)3D打印技術(shù)對(duì)整體制造再生冷卻推力室甚至火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證性研究。通過(guò)對(duì)支持多種金屬同時(shí)打印的增材制造技術(shù)的研究和實(shí)施，達(dá)到大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻推力室復(fù)雜型腔集成設(shè)計(jì)和一體化制造，大幅縮短推力室制造周期，同時(shí)在一定程度上可以降低推力室的制造成本，優(yōu)化性能并減重，提高推力室的可靠性和壽命。

END

在大規(guī)模使用3D打印技術(shù)的過(guò)程中，星河動(dòng)力公司積極與3D打印業(yè)內(nèi)品牌商合作，飛而康、鋼研極光、鉑力特、鑫精合等對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及零件制造均給予了很大幫助，星河動(dòng)力希望能夠借助這項(xiàng)技術(shù)使產(chǎn)品更輕、數(shù)量更少、強(qiáng)度更高、可靠性更好。未來(lái)，在“蒼穹”液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、“邊界”軌姿控等復(fù)雜系統(tǒng)中，星河動(dòng)力將更多的采用3D打印技術(shù)。