航天3D打印"百科全书"(2)：增材制造卫星和火箭

本文分享空间技术研究院三位教授发布的航天3D打印的重要书籍内容。

AM易道成员昨日参加了第四届航空航天增材制造大会，内容非常硬核。

今日会议还有一日内容，阅读本文与参加会议会交叉印证并深入对于3D打印航空航天应用的理解。

我们都知道，在航天制造领域，3D打印技术正在不断扩大份额。

这不仅发生在空间站的微重力环境中，也不仅限于遥远的深空探索任务，就在地球上，这项技术已经开始重塑我们制造航天器的方式。

传统航天器制造面临着一个看似难以调和的矛盾：一方面需要实现极其复杂的功能和结构设计，另一方面却要严格控制重量和体积。

3D打印技术的出现，为解决这个矛盾提供了全新思路。通过层层叠加的增材制造方式，工程师们得以实现传统工艺难以企及的复杂结构，创造出性能更优、重量更轻的航天器部件。

AM易道在这期《航天3D打印技术》系列解读的，让我们共同走进这场制造革命，一探3D打印技术如何改变卫星和火箭的未来。

本文内容部分来自由中国航天科技集团公司-中国空间技术研究院的三位教授，Yun Li, Xiaojun Li 和 Dahai Shen 联合撰写的《3D Printing in Space》出版书籍。

书籍具体内容还请各位读者自行阅读，原书技术和案例细节非常丰富。

本系列为《3D Printing in Space》(ISBN: 978-981-97-4094-9)的读书笔记与技术解读，旨在推广这本精彩的书籍，分享航天3D打印技术知识，促进学术交流。

文中的技术内容及相关描述来自对于原书籍的部分翻译后解读和AM易道对于相关开源案例内容的再确认和再解读，可能存在与原书籍差异的情况。

书中的图片来源：来自于作者、网络、全球航空航天机构、以及3D打印行业企业及机构。

对于图片具体来源的查阅，请阅读原书，或自行对于相关案例和单位、机构、企业进行网络内容检索。

全新的制造范式：从零件到整星

传统航天器制造是一个极其复杂的系统工程。

以通信卫星为例，从天线、接收系统到数字信号处理系统，每个分系统都由众多精密部件组成。这些部件不仅需要满足严苛的性能指标，还要适应太空环境的考验。

AM易道总结书中结构，3D打印技术在航天器制造中的应用可以分为三个层次：

第一层次是部件级应用，通过创新设计提升性能。

第二层次是结构级创新，开发全新的结构形式。

第三层次是整星级突破，这代表着制造技术的革命性飞跃。

从地面试验到轨道验证，3D打印技术正在展现出重塑航天器整体制造流程的潜力。

材料创新：航天级打印材料的突破

在太空环境中，材料将面临前所未有的考验。极端温度变化、强辐射、原子氧腐蚀等因素都会影响材料性能。因此，航天级3D打印材料的开发成为技术创新的关键。

ABS塑料：航天3D打印的"敲门砖"

上图展示了一个用ABS塑料打印的复杂中空球形结构，精密的几何造型在传统工艺下几乎不可能实现。而使用3D打印技术，这样的结构不仅可以被完美复现，还能根据需要快速调整设计。

在空间站内部，ABS塑料制品的应用更是丰富多样。

从工具架（上图）到实验装置（下图），

再到立方星框架结构（下图），

这些应用展示了ABS塑料在航天3D打印中的实用价值。

特别值得一提的是，这些塑料制品不仅重量轻、强度好，还具有优异的抗静电性能，这在太空环境中尤为重要。

PEEK：新一代航天高分子材料的明星

聚醚醚酮（PEEK）的出现，为航天3D打印带来了新的可能。

书中展示的PEEK材料样件（上图）和NASA测试的管件（下图）

充分展现了这种材料的优势。它不仅能够承受-150℃到+150℃的极端温度变化，还具有优异的辐射阻力和化学稳定性。

金属材料：航天结构的新选择

跨过塑料材料这个"敲门砖"，金属3D打印正在航天领域掀起一场更大的革命。

书中通过一系列金属材料应用案例（上图）展示了这场变革，从铝基、铁基到铜基、镍基、钛基等不同类型的合金，每种材料都在特定场景中发挥着独特作用。

特别引人注目的是NASA新开发的GRX-810合金。

这种材料能够承受接近1093℃的极端温度，其强度和抗氧化性是现有最先进3D打印超级合金的两倍，而耐久性更是提升了1000倍以上。

通过在激光熔化过程中分散纳米级Y2O3颗粒，研究人员成功开发出这种革命性材料。

在火箭发动机领域，高导热性铜合金GRCop-42和GRCop-84的应用同样令人印象深刻。

书中展示的铜合金样件上图，采用定向能量沉积工艺制造，可以在700℃以上的高温环境下稳定工作。这些材料的成功应用，直接推动了美国Relativity Space公司火箭发动机的研制。

航天器的"钢筋铁骨"：铁镍合金的突破

上两张图展示了两种重要的铁镍基合金应用。

这类材料不仅具有优异的力学性能，更重要的是展现出极佳的温度稳定性。特别是殷钢（Invar）合金，其热膨胀系数极低，特别适合制造对尺寸精度要求极高的航天器部件。

压电材料：航天电子的创新之源

在航天电子领域，3D打印压电材料开启了新的可能。碳纳米管墨滴打印技术，通过精确控制材料沉积，研究人员成功实现了传感器、执行器等功能器件的直接打印制造。

从部件到整机：航天器制造的创新实践

航天器制造是一项复杂的系统工程。

上两图展示了两个典型的集成设计案例，充分展现了3D打印技术在结构优化方面的优势。

通过创新设计，工程师们成功将多个功能模块整合在同一构件中，不仅降低了重量，还提升了可靠性。

滤波器：航天通信的守门员

在卫星载荷系统中，滤波器扮演着至关重要的角色。书中展示的不规则结构滤波器（下图）采用不锈钢3D打印技术制造，

相比传统的矩形腔体设计，这种椭球形结构具有更高的Q值和更小的体积。更重要的是，金属壁厚仅2mm，大大减轻了重量。

类似的创新还体现在双工器设计上（图b）。

AM易道认为，这些案例充分展示了3D打印技术在航天微波器件领域的巨大潜力。虽然目前受限于打印精度和表面粗糙度，但随着技术进步，这些问题正在逐步得到解决。

天线系统：太空通信的"耳目"

对于航天器而言，天线系统就像人类的"耳朵"和"嘴巴"，是航天器与地面以及其他航天器通信的关键。

书中通过一系列创新案例（下图）展示了3D打印技术如何重塑天线设计和制造。

欧空局与瑞士SWISSto12公司合作开发的双反射面天线（下图）就是一个极具代表性的案例。

这种天线不仅提升了加工精度，更重要的是大幅缩短了研制周期和成本。通过3D打印技术，工程师们可以更自由地优化天线的内部结构，实现更好的电性能。

法国泰雷兹空间公司的天线支撑结构（下图）则展示了另一个创新维度。

这个用于Koreasat 5A和7号卫星的支撑结构采用中空一体化设计，重量减轻22%，成本节省近30%，研制周期更是缩短了1-2个月。这充分体现了3D打印在结构轻量化方面的优势。

热管理创新：确保航天器"凉爽运行"

航天器热控系统的设计一直是个技术难题。书中重点介绍了一种创新的回路热管设计（下图）。

这种"三明治"结构将回路热管布置在电子设备箱之间，不仅提升了散热效率，还便于安装和维护。

最大的技术挑战在于热管内芯的实现。设计要求多孔结构的孔径应在1-2微米，而目前3D打印的精度一般只能达到20微米。

欧空局通过技术创新，成功将孔径控制在10微米以下，为未来小卫星和立方星的热控设计开辟了新途径。

光学系统的突破：从反射镜到光谱仪

欧空局与荷兰TNO研究所合作开发的光谱仪反射镜（下图）是一个精彩的案例。

这个部件是Tropomi大气监测仪的核心组件，需要在太空环境中保持极高的光学性能。通过钛合金3D打印技术，研究人员不仅保持了反射镜的光学性能，还将重量从原来的284.6g降低到127.7g。

焊接技术的革新：消除航天器的"软肋"

航天器在轨运行面临剧烈的温度循环，这对材料连接提出了极高要求。书中介绍的基于3D打印的新型焊接技术（下图）提供了创新解决方案。

通过超声波技术和摩擦实现金属之间的固态粘接，这种方法不仅降低了焊接温度，还缩短了制造周期。

更重要的是，这项技术为传感器的嵌入提供了可能。由于无需高温焊接，可以在金属之间嵌入各类传感器，实时监测材料状态，这对航天器的健康监测具有重要意义。

AM易道认为，这些创新案例清晰地展示了3D打印技术在航天器制造中的重要影响。

航天器结构的革命：点阵设计引领新潮

让我们把目光投向一个极具创新性的领域 - 航天器结构的点阵化设计。这个灵感来自晶体结构（下图），就像钻石的原子排列那样，通过空间点阵的周期性排布，实现了轻量化与高强度的完美统一。

中国航天科技集团第五研究院总体部开发的金属点阵结构（下图）展示了这一理念的实践应用。

这种特殊的三维金属结构不再是传统的实心板材，而是经过精心设计的周期性点阵结构，成功地用于替代卫星主结构中的实心板件。

更令人惊叹的是，这种点阵结构还可以根据受力情况进行优化设计。

如上图所示，在安装孔位置，点阵结构更加密集，而在其他位置则相对稀疏，实现了材料分布的最优化。

大多数点阵结构的直径仅0.5毫米，局部加强区域甚至细化到0.25毫米，这种精细程度在传统制造工艺下几乎不可能实现。

创新结构设计的工程实践

点阵支架的应用（上图）进一步展示了这项技术的实用价值。通过初步的结构研究和优化设计，这种点阵支架在保证机械性能的同时，显著提升了轻量化水平。

2019年8月，搭载这种点阵结构主体的"前程"卫星由中国航天科技集团的捷龙一号火箭成功发射升空。

这标志着3D打印点阵结构在卫星主承力结构上的工程化应用取得重要突破。

推进系统的创新：肼瓶支架的突破

远程遥感卫星轨道推进系统资源平台上的肼瓶支架（下图）是大型承力构件应用点阵材料的典范。

这个直径1200毫米的结构由6件分别打印的构件组装而成，采用了0.5毫米的最小壁厚和点阵丝径，整体重量较传统工艺减轻超过60%。

这个成果充分展示了3D打印技术在大型航天结构件上的应用潜力。

火箭技术的革新

3D打印技术在火箭制造领域同样展现出巨大潜力。

通过结构优化设（上图），工程师们不仅实现了火箭壳体和发动机外壳的轻量化，还提高了发动机结构的机械性能和导热性能。

发动机整体结构的一体化设计（上图）是另一个重要突破。传统上，这些结构往往需要分别加工后通过焊接或螺栓连接，这不仅增加了重量，还可能在极端条件下产生开裂风险。一体化设计不仅减轻了重量，还提升了整体结构强度。

火箭发动机：推进系统的革命性突破

火箭发动机的制造一直是航天领域最具挑战性的工程之一。书中通过一系列突破性案例展示了3D打印技术如何重塑这个领域。

推力室的创新之路

发动机推力室的结构组成（下图）展示了3D打印技术的三大突破：

• 燃烧室和喷管的一体化设计

• 多合金混合打印技术的应用

• 复合材料涂层的创新
  
  

特别值得关注的是推力室的铜合金燃烧室。

工程师们在其表面涂覆了碳纤维复合材料，这种创新设计不仅为燃烧室提供了结构支撑，更实现了50%的重量减轻。

相比传统的金属保护套，这种解决方案展现出明显优势。

激光熔覆技术制造的两段式腔体结构（上图）和混合金属打印连接（下图）进一步展示了工艺创新。

这种技术使发动机组件的制造周期从近两年缩短到几个月，同时大幅减少了连接结构的数量。

大推力发动机的突破

NASA在推力室研制方面取得了显著进展。下面三幅图展示了不同阶段的技术演进：

看也看到，从早期的小型独立部件打印，发展到今天的大尺寸一体化设计。

最新的高强度铁镍高温合金喷管配备复合材料涂层，可以承受极端的工作环境。

特别引人注目的是一台40,000磅（177,929N）推力的发动机结构件的打印过程（下图）。

这个部件采用了GRCop-42铜合金材料，不仅具有优异的导电性，其腔壁厚度还可以根据推力水平精确设计。

2021年5月，NASA报告的3D打印发动机硬件（下图）通过了冷喷涂和热燃烧测试。

在所有测试中，主燃烧室承受了高达5170Pa的压力，计算的热气温度接近3427℃。三种不同的碳复合材料喷管在测试中展现出优异性能，测量的喷管温度超过2204℃。

新一代火箭的诞生

一支英国团队完成的简单火箭（下图）虽然体型较小，但展示了3D打印技术的巨大潜力。

这个高度接近成年人的火箭虽然只有3千克重，却配备了自动驾驶系统和摄像记录设备。

更具突破性的是Orbex公司使用选区激光熔化技术完成的大型火箭发动机部件（下图）。

这款被称为世界上最大的3D打印火箭发动机采用钛合金和铝合金材料制造，可以承受火箭发射过程中的极端温度和压力。通过整体打印设计，发动机重量减轻了30%。

AM易道认为，3D打印技术正在重新定义火箭发动机的制造方式。通过材料创新、结构优化和工艺突破，未来的火箭发动机将更轻、更强、更可靠。特别是在降低制造成本、缩短研制周期方面，这项技术展现出的潜力令人振奋。

月球降落场：应对"月尘"挑战的创新之作

在美国德克萨斯州巴斯特罗普的Swift营地，一支由多所美国大学学生组成的"阿耳忒弥斯"团队展示了他们设计制造的3D打印月球着陆平台（下两图）。

这个被命名为"月球羽流减缓装置"的创新设计，旨在解决一个困扰航天工程师多年的难题 - 月球尘埃。

当航天器在月球表面起降时，发动机羽流会激起大量月尘，这些细小的尘埃颗粒不仅会影响设备性能，还可能损坏周边设施。

这个创新的着陆平台通过特殊的结构设计，可以有效控制和引导发动机羽流，降低月尘的扰动。

该项目得到了NASA马歇尔空间飞行中心和亚利桑那州立大学合作项目的支持，并通过NASA的"从月球到火星"行星自主建造技术（MMPACT）项目进行实践验证。

这种前瞻性的设计为未来月球基地建设提供了重要的技术储备。

发动机部件：精密制造的新境界

书中提到西安铂力特激光技术有限公司展示的航空发动机典型部件（下图）展现了金属3D打印技术的精湛水平。

其中最引人注目的是可调喷管结构，这是确保发动机在不同工况下实现良好性能、提升推力并降低燃料消耗的关键基础部件。

这个可调喷管的创新之处在于：

• 实现了喷管与多组调节叶片结构的一体化整合

• 在发动机喷管处实现了±20°的调节角度

• 将原本需要多个零件组装的复杂结构转变为一体化制造
  
  

除了可调喷管，第二层的离心压气机、第三层的火焰筒、第四层的涡轮导向叶片以及第五层的机匣，都体现了3D打印技术在航空发动机制造领域的突破。

特别是机匣的设计，通过点阵皮肤加强、拓扑加强和蜂窝加强等结构，不仅减轻了重量，还提升了整体结构的刚度和强度。

小卫星：太空探索的"小而美"

小卫星，特别是立方星（CubeSat）的蓬勃发展，标志着航天领域进入了一个新时代。

书中展示的轨道中的立方星（下图）生动展现了这种小型卫星在执行大气观测和测量任务时的灵活性。

3D打印技术与小卫星制造的结合，不仅大幅提高了生产效率、降低了成本，更为在轨打印小卫星奠定了基础。

上图展示的是全球首个3D打印金属立方星释放器COSPOD-3D，这个由北京星羽空间科技有限公司开发、西安铂力特特种增材制造技术有限公司制造的装置，其重量仅为传统机械加工产品的一半。

美国蒙大拿州立大学的案例（上图）更是展示了高校在这一领域的创新实践。

他们使用3D打印机和聚合物粉末材料完成了一颗立方星的制造，虽然由于火箭发射失利未能获得在轨数据，但这次尝试为未来类似项目提供了宝贵经验。

欧空局在这一领域同样有创新突破。他们使用新型导电硬塑料作为原材料，完成了立方星结构的3D打印（下两图）。

特别是通过掺杂纳米颗粒实现的导电PEEK材料，为航天器电子设备的在轨制造开辟了新途径。

最具突破性的是俄罗斯的Tomsk-TPU-120立方星（下图），这是世界上第一颗采用3D打印制造的并进入国际空间站的立方星。

尽管体积只有30cm×11cm×11cm，重量不到4kg，但它配备了多种传感器，可以在太空中工作4-6个月，为3D打印材料的空间适应性研究提供了第一手数据。

写在最后

本文仅是对该书的简要介绍，有兴趣的读者还请根据以下信息阅读原文：

通过本期对航天器3D打印技术的深入解读，我们看到了这项技术在航天制造领域的巨大潜力。

从轻量化设计到集成创新，从材料突破到工艺革新，3D打印正在开创航天制造的新范式。

但这仅仅是开始。在接下来的系列文章中，我们将继续探索更加精彩的技术创新：

• 第四章《在轨3D打印》聚焦空间站制造技术，揭示如何在微重力环境下实现高质量打印，以及材料循环再利用的前沿探索；
  
  

• 第五章《深空探测中的3D打印》将目光投向更远的深空，展现月球基地建设和火星探测任务中的原位制造技术；
  
  

• 第六章《航天新材料》深入材料科学前沿，解密新型航天级打印材料的研发历程；
  
  

• 第七章《技术应用》通过丰富的工程实践案例，展示3D打印技术在航天领域的广泛应用；
  
  

• 第八章《未来展望》则描绘了更远的愿景，从星际旅行中的应急制造到行星基地建设，展现这项技术的无限可能。
  
  

AM易道认为，随着技术不断进步，3D打印必将在航天领域发挥越来越重要的作用。

它不仅将改变我们制造航天器的方式，更有可能重新定义人类探索太空的边界。

敬请关注后续系列。