3D打印助力中國航空事業(yè)：長征5號火箭有50個3D打印零件

2020年7月，長征五號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功點火起飛，中國邁出行星探測的第一步——奔向火星!這不僅是其首款從頭開始設計的運載火箭，專門針對非高液性液體火箭推進劑，而且還采用了50個3D打印機制作的零件，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域再立一功。

      其中，長征五號運載火箭上的一個重要部件——級間解鎖裝置保護板，正是中國航天科技集團公司中國運載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所通過采用3D打印公司的解決方案加工而成，他們使用了激光燒結(jié)平臺和高性能材料，為火箭的靜態(tài)發(fā)射裙生產(chǎn)了50個零件。

      3D打印即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。近年來，3D打印已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要技術(shù)，可以幫助航空航天設備減輕重量、節(jié)省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

      航天是一項高風險的行業(yè)，航天飛行器總體設計的過程就是將看似神秘的諸多技術(shù)指標細化分解成對各個系統(tǒng)兼具可行性和可靠性的具體設計要求，并最終通過各個具體技術(shù)細節(jié)的有機結(jié)合，完成人類翱翔太空的使命。其中航天分離技術(shù)恰恰是航天飛行器總體設計中的一項極為關(guān)鍵技術(shù)。

      火箭在工作期間所獲得的速度增量與發(fā)動機開始工作時的火箭總重m0和發(fā)動機結(jié)束工作時的總重m1相關(guān)，m0/m1的比值越大，火箭就能獲得越大的速度增量。有效載荷要進入太空工作，至少要被加速到第一宇宙速度，多級火箭通過不斷將完成工作的部分拋棄，火箭m0/m1的比值將不斷變化，火箭得以被“接力”加速，最終達到理想的入軌速度，在這一過程中，火箭的各級間的分離過程極為重要。

      長征五號運載火箭總長約57米，箭體直徑達5米，不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。級間解鎖裝置保護板其單批次加工件數(shù)較少，加工頻次較低，如采用傳統(tǒng)注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術(shù)，則無需開模，一體成型。

      3D打印公司提供了超大打印幅面的尼龍增材制造解決方案，1000×500×450mm的超大成型缸，可實現(xiàn)大型產(chǎn)品的一體化成型和小型產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。級間解鎖裝置保護板每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm，最終整個部件尺寸直徑約5000mm，采用HT1001P打印近50件拼接而成，耗時僅48小時。

      此外，較之原有鋁合金材質(zhì)，該保護板采用3D打印高分子材料，安裝更為靈活便捷，表面的紅色噴漆具有防水、防鹽霧功能，可起到良好的防護作用。

      3D打印具有較多優(yōu)點，可以將原本通過多個構(gòu)件組合的零件進行一體化打印，實現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，幫助設計者突破束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。一體化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也可以幫助企業(yè)提升生產(chǎn)效益。此外，3D打印出的零部件更加精細，形狀尺寸選擇更多，設計師在進行飛行器中的復雜零部件設計時，以考慮零部件的可制造性轉(zhuǎn)變?yōu)?D打印設計思維下的實現(xiàn)零部件功能性為主。

      說到3D打印技術(shù)，其作為二十一世紀炙手可熱的技術(shù)之一，目前已經(jīng)滲透了包括航空航天在內(nèi)的各行各業(yè)，此次3D打印技術(shù)與航天材料及工藝研究所的成功合作，既推動了增材制造技術(shù)在我國航天航空領(lǐng)域的深化應用，又實現(xiàn)了國產(chǎn)新型大幅面增材制造裝備的應用驗證，標志著我國航天增材制造邁出了堅實一步。