案例了解3D打印如何帮助小型企业实现制造火箭的蓝图摩根士丹利（MorganStanley）估计

摩根士丹利（Morgan Stanley）估计，到 2040年，全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。
正如《3D打印与工业制造》一书所指出的， 3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。 3D打印对于火箭的制造是颠覆性的，这体现在从设计到供应链和库存管理，再到质量控制等各个环节。
目前3D打印在火箭领域的应用集中在推力室的3D打印，发动机喷嘴头、整流罩，氧化剂阀体、泵等零件。其中，使用基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术时，冷却管道将直接作为设计中的一部分，并在同一生产过程中与整个腔体一起成型，这是3D打印推力室的魅力之处。
本期， 3D科学谷与谷友通过一家小型企业PhytomSpace与3D打印专家GKN Additive的合作案例，来了解3D打印如何帮助小型企业实现他们的火箭制造路线图。
文章插图
【案例了解3D打印如何帮助小型企业实现制造火箭的蓝图】埃隆·马斯克解释3D打印技术催生下一代火箭
更好、更便宜的火箭
正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的， 3D打印技术已成为航天制造机构抢滩下一代经济性、可重复利用火箭发动机的重要“筹码” 。国际上这些商业化航天企业在高性能火箭发动机部件制造中大胆尝试着3D打印技术。关于3D打印对火箭制造行业的革新作用，SpaceX首席设计师兼首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）有着精辟的观点：通过3D打印，可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。
埃隆·马斯克在传统的航空航天业中没有任何经验和背景，这表明创业公司现在是可以实现从无到有的进入到有资源有背景的巨头垄断的行业。
十年前没人会相信的事情，现在正在发生。
文章插图
增材制造的空间部件需求呈指数增长。来源：3dpbm
对推进剂更大的压力
今天，有95％的火箭使用液态推进剂，例如液态氧。为了使氧气保持液态，必须将其保持在非常冷的温度下。 PythomSpace正在制造一种既能在地球上发射又能在太空中使用的发动机。
如果去其他行星，小行星，月球或采矿，这种类型的发动机将是优势巨大的。为了使其发挥作用，首先必须解决使用可储存推进剂时推力要求的差异。 PythomSpace的解决方案变得可以与赛车媲美：因为当对推进剂加压时，将获得更大的效果并实现最大化扭矩。
文章插图
这是艾格峰（Eiger）运载火箭的概述，PythomSpace所有的运载火箭都以山脉命名。艾格峰（Eiger）是瑞士的一座传奇山脉，很难从北侧攀登。
第一阶段配备了9个Asterex引擎的发动机集群，油箱中含有糠醇。第2阶段底部的Asterix发动机与第1阶段的发动机相似，但喷嘴更大，在空间真空中使用大喷嘴效率更高，第2阶段的燃油箱装有硝酸。
来源：PythomSpace
PythomSpace正在建造小型运载火箭，可以运载100到500公斤之间的有效载荷，其最大腔室压力为5兆帕。使用3D打印， PythomSpace看到了腔室压力增长了两倍。目前， PythomSpace正在处理10兆帕的腔室压力。
那么增加腔室压力的秘诀是什么？
文章插图
发射计划。来源：PythomSpace
通常需要涡轮泵来增加腔室压力，但是它们不适用于小型火箭。当化学物质在高压下在火箭发动机内相互反应时，温度达到约3,000摄氏度。除非对热量采取管理措施，否则发动机迟早会被熔化。而且这时候材料的选择都变得无关紧要了，因科镍合金和其他类似金属的熔点都在1500度左右。
PythomSpace的小型发动机只有大约30厘米高，这对于通过传统制造技术来制造很微小的冷却通道来说是个问题。大型火箭发动机的冷却通道可以通过焊接、蚀刻或铜焊来实现。而在小型火箭上这是不可能的，直到出现了3D打印技术。
文章插图
GKN提供的3D打印零件。来源：PythomSpace
仿真进一步降低设计迭代成本
不过PythomSpace仍然必须为引擎做详细的参数设置，每个单一尺寸-喷嘴上的最佳屈服曲线等等，都必须在数学上准确。然后还需要进行仿真分析，通过3D打印，通常在完成设计后， 1-2周内就可以完成发动机的制造，而这放在10年前，则需要一年。