Ursa Major的3D打印野心：铜合金液发与SpaceX竞争，固发解决五角大楼导弹危机

本文分享美航天企业Ursa Major铜合金增材制造及其产品及企业信息。

注：本文所有内容创作基于公开信息。

美大选尚在如火如荼进行，在俄乌冲突持续两年多的今天，美西方面临着一个严峻的现实：

根据战略与国际研究中心（CSIS）的数据显示，为乌克兰提供的"标枪"反坦克导弹和"毒刺"防空导弹等关键弹药库存已经接近枯竭。

而按照传统制造方式，仅仅是补充这些库存就需要5到18年的时间。

制导多管火箭系统（GMLRS）等关键装备的补充更是迫在眉睫。

这一尴尬局面不仅暴露出美国军工供应链的脆弱性，也让人不禁思考：

在可能发生的世界其他区域冲突中，美西方能否维持足够的弹药储备？

就在美为这一问题焦虑之际，来自美国科罗拉多州伯特豪德市的火箭推进系统制造商Ursa Major横空出世。

团队核心成员是从SpaceX和Blue Origin出来创业的。

这家企业以其3D打印固体发动机与美军方创新合作闻名，但其在液体发动机也是创新成果不断，与SpaceX等商业航天企业展开正面竞争。

通过创新的增材制造技术，该公司不仅实现了固体火箭发动机的快速制造，更在液体火箭发动机领域取得重大突破：

成功将NASA开发的高导热高强度铜铬铌合金（GRCop-42）应用于增材制造，并已完成了首个使用该技术制造的"哈德利"发动机的超音速飞行测试。

Ursa Major完成"哈德利"发动机的超音速飞行测试这一成就使其成为继SpaceX之后，又一个能够用私人研发的火箭实现高超音速飞行的企业。

Ursa Major的多元化的发动机产品线，液体发动机四大家族

Ursa Major采取了多发动机并行发展的战略，目前已形成了完整的产品序列：

哈德利Hadley发动机：小型运载与高超音速的完美结合

哈德利（Hadley）是一款推力达到5000磅的液氧煤油发动机，采用氧气富燃分级燃烧循环设计。

这款发动机专门针对小型运载火箭和高超音速飞行器设计，展现出极强的市场适应性。

2024年3月，在Stratolaunch公司的Talon-A1测试平台上，哈德利发动机创造了接近5马赫的飞行速度，验证了其在高超音速领域的应用潜力。

德雷珀Draper发动机：突破存储难题的创新设计

德雷珀（Draper）发动机采用封闭式催化剂设计，推力为4000磅。

这款发动机的最大创新在于使用非低温推进剂，解决了火箭发动机长期存储的技术难题。

在空军研究实验室（AFRL）的合同支持下，公司专门在伯特豪德总部建造了德雷珀专用试验台。

2024年6月的热试车成功，为其在轨道推进和高超音速防御领域的应用奠定了基础。

AFRL火箭推进部门负责人Shawn Phillips博士评价说：

"也许这个项目最令人印象深刻的方面是在如此短的时间内交付了一个多用途、可储存的火箭发动机。这正是我们空军和太空军领导层要求的：更快地提供能力，与工业界建立更紧密的联系，并利用现有资源提供非对称优势”

里普利Ripley：高比冲煤油发动机

在已经成熟的哈德利和德雷珀发动机基础上，Ursa Major的Ripley发动机在2023年3月创造了一个重要里程碑。

这款发动机成功完成了热试车测试，验证了包括涡轮机械、富氧预燃室和增材制造铜质推力室总成在内的完整系统在类飞行条件下的性能。

AM易道认为，Ripley最引人注目的是其卓越的性能表现。它创造了美国煤油火箭发动机史上最高的比冲记录。

Ripley发动机的发展历程本身就是一个通过3D打印快速迭代的成功案例。

其首个版本于2021年完成热试车，推力为35,000磅。为了更好地满足中型运载级火箭市场的需求，公司迅速将其推力提升至50,000磅。

Arroway发动机：面向重型运载的未来动力

Ursa Major还在开发一款名为Arroway的大推力发动机。

这款发动机采用液氧/甲烷作为推进剂，使用分级燃烧循环设计，海平面推力达到200,000磅。

作为一款中重型运载级发动机，它不仅可以服务于商业发射市场，也有望成为美其他国防发射任务的动力选择。

Ursa Major从工艺到设施的全方位布局

2021年10月，在美国众议员Tim Ryan和国防部的支持下，公司获得300万美元联邦资金，建立了先进制造实验室。

这个孵化器是一个国际认可的软件和增材制造企业培育平台，为公司提供了理想的创新环境。

实验室配备了EOS大型激光粉末床融合打印机，专门用于按需生产发动机部件。

这个实验室的建立标志着公司在增材制造领域的重要布局。

从2021年的工艺开发，到2023年8月从原型转向生产，再到2024年获得新的500万美元投资（其中America Makes提供400万美元，公司自筹100万美元），实验室的发展轨迹清晰展现了公司的技术进步。

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最新引进的Velo3D Sapphire XC激光粉床融合设备，将推动铜合金增材制造工艺实现飞行认证。

和SpaceX选择一样，Usra Major也对Velo3D的设备极为认可。

Ursa Major 将使用GRCop-42铜合金3D打印工艺为其 Hadley和 Draper 飞行发动机生产推力室。

材料工艺突破：GRCop-42的规模化应用

GRCop-42这个合金是美NASA测试过的新型适用于3D打印的铜合金。

全球各主要3D打印以及航天企业都在积极打印，AM易道将在未来深度解析这个材料。

在材料应用方面，公司成功开发了NASA高导热高强度铜铬铌合金GRCop-42的增材制造工艺。

这种合金专门用于液体火箭发动机的高温部件，传统供应链十分有限。

通过增材制造技术，公司不仅解决了供应链瓶颈，还实现了快速迭代优化。

目前，公司的发动机按质量计算超过80%的部件都采用3D打印制造。

Ursa Major的军火生意离不开3D打印固体火箭发动机

前面提到的导弹/火箭弹型号都是固体火箭发动机（SRM），西方供应面临严峻挑战。

为解决这一困境，Ursa Major开发了基于3D打印的Lynx固体火箭发动机制造工艺。

据公开消息，一台Lynx增材制造设备的年产能就超过1650个便携式发动机壳体。

更重要的是，该工艺能够制造直径从2英寸到22.5英寸的发动机，这个范围涵盖了从便携式防空导弹到中程防空系统的主要军用型号。

美国海军已经注意到了Lynx工艺的巨大潜力。

通过一个价值2500万美元的合作项目（双方各出资1250万美元），海军将与Ursa Major合作完成先进制造探路者计划，设计、制造和测试海军固体火箭发动机原型。

Ursa Major设计的Lynx固体火箭发动机不仅产能高，性能也优于传统系统。

在相同的发动机外形下，Lynx SRM能够装载更多推进剂，这意味着更长的射程或更大的有效载荷。

此外，通过简化和缩短装配流程，显著减少了零件数量，降低了生产的复杂性。

AM易道认为，Lynx项目的意义远超单纯的技术创新。

它展示了增材制造技术如何从根本上解决军工供应链的痛点：通过灵活的生产方式和创新的设计理念，在保证性能的同时大幅提升产能，增强供应链韧性。

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Ursa Major的固体发动机从始至终，瞄准的都是军工市场。

重构发动机供应链的新思路

Ursa Major的商业模式创新重新定义了火箭发动机行业。

通过增材制造技术，公司将发动机的生产和交付周期从6个月压缩到1个月。

截至2022年，公司已建造和测试了超过50个分级燃烧火箭发动机，累计运行时间超过36,000秒，这一测试时长远超常规发动机首飞前的要求。

AM易道认为，这种"发动机即服务"的模式具有重大意义。

它不仅为客户节省了平均大量的时间和成本，更重要的是，因为增材制造的快速迭代，快速生产，为行业提供了一个新范式。

基于增材的灵活生产单元和通用工装系统，创造了高度适应性的制造体系。

写在最后

在过去几年里，Ursa Major展现出罕见的3D打印技术和商业野心。

作为美国第一家成功点火氧气富燃分级燃烧发动机的民营企业，他们在液体火箭发动机领域展现出了对标SpaceX的实力；

而其创新的固体火箭发动机增材制造技术，更有望为五角大楼解决供应链难题。

美国防部已经开始考虑将Ursa Major的成功经验推广到其他新兴国防工业基地企业。

AM易道认为，Ursa Major的成功为军工供应链现代化提供了一个重要启示：通过增材制造技术，可以在保持高质量标准的同时，显著提升供应链的响应速度和灵活性。

可以预见，随着增材制造技术在高温合金、复杂结构件等领域的持续突破，会有更多创新企业通过技术和商业模式创新，参与到军工产业的重塑过程中来。

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Reference：

• https://www.ursamajor.com/media/press-release/ursa-major-extends-partnership-with-america-makes

• https://www.csis.org/analysis/will-united-states-run-out-javelins-russia-runs-out-tanks

• https://www.ursamajor.com/media/press-release/american-rocket-propulsion-leader-ursa-major-completes-hotfire-test-campaign

• https://www.bizjournals.com/cleveland/inno/stories/fundings/2024/10/28/rocket-startup-ursa-major-america-makes.html
  

• https://www.metal-am.com/ursa-major-secures-5m-contract-to-develop-copper-additive-manufacturing-for-hypersonic-flight
  

• https://interestingengineering.com/innovation/ursa-major-copper-additive-manufacturing-process

• https://www.ursamajor.com/about

• https://www.prnewswire.com/news-releases/rocket-propulsion-companys-3d-printing-lab-delivers-first-rocket-engine-components-301585318.html
  

• https://interestingengineering.com/transportation/stratolaunch-achieves-1st-powered-flight-of-ta-1-hypersonic-vehicle-at-mach-5

• https://www.metal-am.com/ursa-major-reports-successful-hotfire-testing-of-draper-liquid-rocket-engine

• https://3dprint.com/314075/america-makes-awards-4m-to-ursa-major-to-qualify-3d-printed-copper-rocket-engines/