北京时间2024年3月14日21:25，美国SpaceX公司在美国德州博卡奇卡进行星舰第三飞。火箭发射升空后，33台发动机均正常发动。星舰按照预定计划成功进行热分离，但未能顺利回收。
不过，本次试飞星舰已达成了多项目标，其中包括猛禽发动机首次在太空中重新点火，以及星舰的受控再入。
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。
多年以来，SpaceX一直在评估3D打印的好处，并完善开发飞行硬件所需的技术，在此过程中取得了一些重大成功。随着增材制造行业的发展，Starship的成功发射，我们可以期望SpaceX将继续通过3D打印技术实现迄今为止所取得的令人难以置信的成果，并继续以他们对太空的远见卓识启发人类对宇宙的探索能力、信念与对新技术的开放态度，SpaceX在不断开启新的探索。
© 3D科学谷白皮书
航天市场加速度
市场发展方面，根据新京报，中国航天产业辐射的产业链规模已超过万亿。据中国航天工业质量协会统计，2015年-2020年，商业航天市场规模由3764亿元增至10202亿元，年复合增长率达22.09%。到了2021年，中国商业航天市场规模约为12447亿元。泰伯智库预测，2023年-2028年，商业航天产业将进入发展黄金期，2025年仅中国市场规模就将达2.8万亿元。2023年12月9日，液氧甲烷运载火箭“朱雀二号”成功发射，“一箭三星”商业发射任务圆满完成。2024年1月11日，全球运力最大的固体运载火箭“引力一号”首飞成功，这也是中国首款海上发射的捆绑型运载火箭。
投资与融资方面，根据创业邦的统计，中美引领全球太空领域的投资。2013-2022年，美国投资了1260亿美元，占全球总投资的46%；中国投资了790亿美元，占29%。2020-2022年融资事件数量上，火箭制造、卫星制造、卫星应用均在30个以上。披露融资总额上，火箭制造（86.38亿元）、卫星制造（47.01亿元）位列前2名。平均融资额上，火箭制造（2亿元）、卫星制造（1.51亿元）较高。
3D打印在动力装备的技术发展逻辑概括为两点：爆发力强、安全性高。提升爆发力方面，3D打印释放了设计与制造的自由度，例如通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；提升安全性方面，例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。
3D科学谷
火箭制造方面，根据中国航天，各国和相关航天企业深刻意识到高效的运载效率和可重复使用技术已成为下一代火箭的重要研制目标。在可重复使用火箭方面，典型代表还是美国的“猎鹰”（Falcon）系列、“人族”（Terran）系列和“大猎鹰火箭”（BFR）系列。其中特殊工艺和复杂结构则可采用3D打印技术，减少零件和工艺非必要结构，例如“人族”火箭的结构和发动机使用专门的3D打印合金制造，与传统火箭相比，部件数量减少了99%。3D打印技术还通过最大限度地减少触控点和前置时间来提高系统整体的可靠性和运营成本，例如“电子”火箭的发动机所有主要部件都是3D打印的，包括其发动机腔室、泵、主推进剂阀和喷射器等。
© 3D科学谷白皮书
国内研究进展举例
l 可重复使用液体火箭发动机涡轮泵轴承设计及试验
© 3D科学谷白皮书
陶孟尧1段逸飞2毛凯1王晓锋1郑晓沛1
1. 西安航天动力研究所2. 洛阳轴承研究所有限公司
摘要：
可重复使用液体火箭发动机研制需求的出现，对涡轮泵结构可靠性设计提出了更高的要求。针对涡轮泵中轴承在低温、高速、重载、重复启停等恶劣工况下容易失效的问题，以某型可重复使用液氧/煤油火箭发动机涡轮泵为研究对象，从结构、材料、保持架等方面对涡轮泵轴承进行了设计和动力学计算分析。根据涡轮泵工作工况，设计了低温和常温轴承运转试验系统，进行了轴承重复启停运转试验，试验过程中对轴承温度和运转转速进行监测以便判断轴承状态，试验后检查轴承钢球和滚道均正常，并对轴承设计参数进行复测发现无较大偏差。试验结果表明，设计的涡轮泵轴承在设计转速下可以完成预定的重复启停运转，同时试后同批次轴承搭载发动机试车考核成功重复点火十余次。
l 基于增材制造技术的液氧/甲烷燃烧室身部设计及热试分析
© 3D科学谷白皮书
刘占一、张魏静、周康、王勇、霍世慧
西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室
摘要：
为了更深入地了解增材制造技术应用于液体火箭发动机燃烧室身部研制的可行性，开展了基于增材制造技术的燃烧室身部设计、加工以及热试。通过采取全身螺旋槽道设计、减薄内壁厚度等措施实现了以高温合金作为燃烧室内壁的内外壁一体化身部方案设计；采用中空加肋法兰设计，在实现燃烧室模块化设计的同时保证了法兰密封效果；采用激光选区熔化技术(SLM)进行了产品加工，并进行了全方位产品检测；产品经过了热试试验验证，试后结构完好。
l 130吨级液氧煤油发动机重复使用技术研究进展
吕发正1张淼1杨永强1李程1李斌2
1. 西安航天动力研究所2. 航天推进技术研究院
摘要：
130吨级重复使用液氧煤油发动机是某新型重复使用运载火箭的一子级主动力装置,满足火箭一子级垂直起降重复使用需求,具备两次点火起动、低入口压力二次起动、快速推力调节和健康监测等功能,并已完成多次重复使用试车考核,通过热试车初步验证了重复使用火箭发射和回收等飞行任务剖面。研制团队继承了120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机的成熟技术和可靠性成果,提出发动机健康管理、寿命评估和维护维修等重复使用技术需求和发展方向,130吨级重复使用液氧煤油发动机能够快速满足我国垂直起降重复使用运输系统需求。
l 航天运载器大型金属构件激光定向能量沉积研究及应用进展
© 3D科学谷白皮书
周庆军1严振宇1张京京1衣凤2董鹏1谢勇1王福德1郭宁3,4
1. 首都航天机械有限公司2. 北京科技大学新金属材料国家重点实验室3. 齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学院4. 山东省机械设计研究院
摘要：
激光定向能量沉积（LDED）增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点，非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度发展趋势，并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。研究首先总结了当前铝合金及其复合材料、钛合金及其复合材料、镍基高温合金及其复合材料三类航天装备结构主体材料的LDED研究现状，在此基础上，梳理出了LDED工艺的发展方向及研究进展。此后，重点介绍了航天装备主承力结构、异质合金一体化结构、集成流道整体化结构三类典型结构LDED制造难点、研制及应用进展。最后，对LDED增材制造技术材料、工艺及装备等的发展方向进行了展望。
l 适用于激光增材制造的γ’相强化镍基高温合金裂纹控制与成分设计研究进展
© 3D科学谷白皮书
史淑静1李卓1,2杨晨2曾子恒2程序1,2汤海波1,2王华明1,2
1. 北京航空航天大学宁波创新研究院2. 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室
摘要：
相强化镍基高温合金因其良好的高温组织与性能稳定性广泛应用于航空航天、石油化工、汽车能源等领域，激光增材制造可满足现代工程对零部件内部结构优化与自身轻量化的需求，成为镍基高温合金复杂结构零部件制造与修复的新兴技术。然而传统牌号高强镍基高温合金的成分及强化机制与激光增材制造快速非平衡凝固及固态相变过程不适配，较宽的凝固温度区间和失衡的高温强韧性易引起微裂纹缺陷，难以保证合金的组织完整性和力学性能，严重制约了激光增材制造技术在高性能高温合金中的应用推广。基于此，研究综述了激光增材制造γ’相强化镍基高温合金裂纹的形成原因和影响因素，根据开裂机理从成分修正、成形工艺参数优化、后处理制度调控等方面总结了裂纹控制相关研究进展，探讨了当前能从根源上抑制裂纹的专用合金成分开发策略，并对激光增材制造γ’相强化镍基高温合金的未来发展方向进行了展望。
l 可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性
容易1刘辉2于子文2朱平平2彭越2于佳晖3
1. 中国运载火箭技术研究院2. 北京宇航系统工程研究所3. 北京强度环境研究所
摘要：
可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。
l 重复使用运载火箭发动机疲劳载荷特征识别方法
徐振亮1邓思超1殷之平2罗洁2吴胜宝1
1. 中国运载火箭技术研究院研究发展部2. 西北工业大学民航学院
摘要：
针对重复使用运载火箭发动机的原始疲劳载荷数据建模困难问题，选取均方根值作为重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据工况划分的标准，通过对重复使用运载火箭原始疲劳载荷数据进行修正短时傅里叶变换滤波处理、雨流循环计数和疲劳载荷特征量高斯分布拟合，实现疲劳载荷数据特性量的识别与规律化处理。研究表明，重复使用运载火箭疲劳载荷数据能用高斯分布模型进行概率分布描述，异常疲劳载荷数据高斯分布参数为正常疲劳载荷数据的3倍以上。该方法可用于精确识别重复使用运载火箭发动机异常疲劳载荷数据，相比于传统异常数据识别方法，可提供异常程度量化指标，为重复使用运载火箭疲劳载荷设计与实时故障分析定位提供一种新的分析手段。
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷
