数月造不出的部件，3D打印10天搞定？火箭可回收新“赛点”

现阶段商业行业火箭在技术上有很多新的技术竞争点，比如可回收、液氧甲烷推进剂应用等等，而并不陌生的3D打印同属其中。

在由诺兰导演的美剧《西部世界》中曾有这么一个场景：巨大的3D打印机械臂撕扯着如线一般的白色材料来回钩织运行，线条明显的肌肉、复杂的眼球虹膜等人体部件在机械编织中逐渐呈现，一位与真人无异的NPC就这么诞生于3D打印机中。这当然是科幻作品，我们现在的研发技术虽然可以打印部分生物活性材料，但还绝对不能达到这种程度。不过在工业制造领域，3D打印的能力已经不容忽视。   

一般来说，3D打印会被用在火箭的一些零部件制造上，比如火箭鼻锥、姿态调整器的推力室等等，不论多么“奇形怪状”，都可以用3D打印技术在以天为单位的时间里制造出来。

当然还有更激进的，比如美国火箭设计和制造公司Relativity Space，其去年3月发射成功、但为顺利进入轨道的“Terran 1（人族一号）火箭”，包括整个箭体结构系统（可以简单理解为火箭外壳）和9台发动机在内，有85%的结构和部件都是由3D打印工艺制造的，号称全球首枚3D打印火箭，且Terran 1也是由液氧甲烷作为推进剂的液体燃料火箭，同样冲着可回收而造的。

Terran 1是目前首枚3D打印火箭

商业火箭领域名气最大的SpaceX虽然没有像Relativity Space一样把3D打印玩到极致，但它其实是把该技术用于航空航天的先驱和最大拥趸之一。

SpaceX的产品中，为星舰提供动力的猛禽发动机的涡轮泵外壳、喷油器板，为猎鹰提供动力的梅林发动机的推力室、喷嘴及延伸件，还有火箭的隔热罩、用于控制推进剂流量的阀门和配件、保护卫星和其他载荷的整流罩组件、之前文章中详细介绍过的栅格舵，乃至宇航服的头罩等等元件都是由3D打印而成。   

液体燃料火箭结构大致示意图

“传统的制造方式就是减材，从整块原料中切削或利用模具进行铸造，但是3D打印技术又称为增材制造。”国内金属增材制造技术全套解决方案供应商铂力特的业务人员曾解释，3D打印是一个从点到线、由线到面再到体的制造过程，耗材少又能高度定制化，想做什么复杂结构的零部件不用再通过CAD设计、优化、验证，直接改几个参数就行。

在他看来，火箭厂商最合适用3D打印技术，一是因为金属3D打印设备价格较贵，有资金支持的头部企业才有能力购买；二是因为航空领域的零件要在保证结构可行的前提下做到轻量化，如果按照传统方式制造，需要拆分成复合零件进行组装，不仅不利于可回收火箭的制造组装，也将难以避免出现误差率影响零件使用。

“经过电脑拓扑结构优化后的结构部件，有些只有3D打印能做出来，比如受力复杂的机架，3D打印能把每一克不需要的材料都去掉，达到最佳强度，还能将上万规模的零部件减少到一千多个。”上述业务人员解释道。   

那么火箭上用的金属零部件都是怎么打印出来的？以火箭发动机的燃烧室为例，燃烧室是火箭液体燃料和氧化剂燃烧膨胀的地方，推进剂通过喷注器注入燃烧室，然后经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物，再以高速从喷管中冲出产生推力驱动火箭发射。

这一过程中，燃烧室内的压力一般会达到200大气压（约20MPa），温度会达到3000～4000℃，所以必须要有冷却系统。

2015年，NASA曾用一种高导热性、高强度的铜合金（编号为GRCop-84）来制作燃烧室的衬里和喷管，经过仿真软件的计算，为了避免过度加热和快速散热，燃烧室衬里需要有“薄壁通道”的设计，也就是内部冷却通道。但如果用传统制造方法很难满足这种复杂的几何设计，于是NASA选择通过激光粉末床熔融(L-PBF)工艺来制造燃烧室的衬里——整个过程持续了10天零18个小时，打印了8255层，内外壁之间最终由200多个复杂又微小的散热通道组成。

当我们深挖航天领域的3D打印应用也能感受到，经过40多年的发展，3D打印产业链已经相当完善。普通的3D打印大多用的是树脂、塑料等材料，航空航天企业所需的零部件用得一般都是金属、碳纤维、陶瓷等等，新的材料往往也需要新的设备与技术的配合。

比如NASA这个铜合金，就是由美国老牌增材制造方案提供商Sintavia公司开发了专有3D打印建模软件、做出专用的参数集再编译给打印机，然后经由德国3D打印设备供应商EOS的打印机才得以实现的。而国内相关企业随着制造业对于3D打印的重视应用，也在不断成熟，涌现出铂力特等供应商，只不过在专利方面仍有壁垒。

从技术上看，目前航空航天领域应用的3D打印技术大多是“直接金属打印”，即以金属粉末为最初的原材料，逐层制造产品，将每一层金属粉末都熔化在前一层上，生产出具有高强度且抗断裂性能更优的部件。   

直接金属打印工艺可以满足火箭零部件的多种需要

直接金属打印又分为三大类：粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）和超声波增材制造（UAM），三种具体打印技术我们会在之后的文章中来细究，现在只简单讲一下它们各自的长处。

PBF一般用于高精度几何复杂件，属于中小型零部件，比如上面提到的燃烧室衬里；DED允许大规模增材制造，适合大尺寸部件的制造，比如高1.8米、直径1.5米的大型火箭喷嘴，还能起到修复作用；UAM能够实现真正冶金学意义上的粘合，适合多材料的复合结构或者有嵌入式的零部件。

不管哪种工艺，只要能在研发阶段快速验证，使可回收火箭的设计能够快速迭代，都值得我们关注。