蓝箭航天火箭制造（用1的零件造火箭）

以前需要数百个不同部件的整体结构，现在可以在几天内打印出来。

对于身处21世纪的我们来说，太空探索或航天飞行之类的活动早已不再陌生，尤其是在以SpaceX为代表的商业航天力量崛起之后，火箭发射直播更是如家常便饭一样频繁。

不过，就当前的历史发展阶段而言，火箭仍然是人类进入太空必备的工具，这意味着其核心关键零部件“火箭发动机”的稳定性将决定着航天活动的效率。

对于目前的大多数商业火箭公司来说，开发一款火箭原型机是其成功的重中之重，所以研发过程中的试错就必不可少，甚至发生意外爆炸也不意外。

实际上，火箭发动机测试过程中的意外爆炸相当普遍，以至于火箭科学家们苦中作乐的给它取了一个“好听”的名字——快速计划外拆卸（Rapid Unscheduled Disassembly，RUD）。

当然，每次火箭发动机爆炸，都需要找到故障的源头，以便能够修复。然后设计、制造一个新的和改进的发动机，运到试验场地并进行点火，不断循环这个过程，直到火箭发动机最后臻于完美。

虽然这种严谨的流程化工作模式值得赞扬，但显而易见的是，以这种方式完善火箭发动机是阻碍航天工业快速发展的主要根源。

幸运的是，使用耐热金属合金的3D打印技术正在彻底改变火箭研发中的试错环节。

▍化繁为简造火箭

因为要在短时间内将载荷送入轨道，所以火箭发动机的力量相当惊人，其每秒产生的能量相当于引爆一吨TNT炸药，且工作状态下的温度远远超过3,000℃。

按照传统的研发节奏，一型火箭发动机至少需要三年的时间来从头设计，其中大部分时间都被反复设计、反复制造、反复点火和不断循环整个流程所占用。

之所以这么麻烦，是因为火箭发动机结构非常复杂。以1969年将尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）送上月球的“土星五号”火箭的F-1发动机为例，每个发动机都有5,600个部件。其中许多部件来自不同的供应商，必须用手工单独焊接或用螺栓连接起来，非常耗费时间。

F-1发动机

这种漫长而昂贵的流程在20世纪60年代可能还说得过去，因为当时正处于美苏争霸阶段，双方不惜成本就是为了赢得太空竞赛。但对于商业航天公司来说，这根本就不现实，他们必须找到新的出路。

快速发动机开发的关键是减少零部件的数量，从而减少组装发动机的时间和供应链延迟造成的干扰。要做到这一点，最简单的方法是改变制造工艺。

所以，商业航天公司现在正在从传统的机械加工（减材制造）转向3D打印加工（增材制造），即通过一点一点地添加材料来加工零件。

具体来说，越来越多的工程师倾向于采用一种叫做选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）的工艺，在增材制造过程中3D打印火箭发动机部件。

加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。

对于火箭发动机来说，一般使用的是英高镍铜超级合金粉末，因为它可以承受非常高的温度。

选择性激光烧结技术可以实现在几天内打印一个整体结构的数百个不同部件。3D打印在制造发动机复杂的再生冷却喷嘴时尤其有用，该喷嘴将低温燃料输送到热的发动机周围，以同时冷却发动机壁并在燃烧前预热低温燃料。

而且，当“快速计划外拆卸”发生并发现故障时，工程师可以使用3D建模软件创建一个修复方案，将高度复杂的部件集成到新的火箭发动机中，几天后就可以进行试射。

事实证明，使用3D打印技术重新设计的F-1发动机将零件数量从5,600个减少到只有40个。另外，使用3D打印也有助于制造商减少整个火箭的重量，因为生产其复杂的结构减少了对螺母、螺栓和焊缝的需求。

不可否认的是，随着商业航天公司太空竞赛的加剧，火箭发动机的部件将变得更大和更少，而3D打印将极大加速火箭发动机的开发进程。

▍走在前列的玩家

目前，几乎所有新成立的火箭公司和太空初创公司都在尝试采用3D金属打印技术。其中值得注意的是火箭实验室（Rocket Lab），它使用其3D打印技术制造火箭发动机，还有就是相对论空间（Relativity Space），他们甚至正在3D打印整个火箭。

今年6月份，Relativity Space公司宣布推出Terran R，这是一个65米高的完全由3D打印的两级运载火箭，能够将20,000公斤的载荷送入近地轨道，然后安全地返回地面再次发射。

Relativity Space公司的特别之处就在于他们尽可能地3D打印所有的东西，将其运载火箭的零件数量减少了几个数量级。传统的火箭发动机可能包含数千个零件，而Relativity的Aeon发动机仅由三个直接金属激光烧结（DMLS）的部件组成。

这一举措使得发动机的制造速度更快，成本更低，而且更容易组装，Relativity Space公司仅需60天就可以制造出一枚火箭。

“Terran R处于火箭创新和设计的最前沿，不仅是完全可重复使用而且是完全3D打印，”Relativity的工程和制造高级副总裁Zach Dunn说，“我们将采取快速迭代的方法进行回收，通过每次飞行来提高我们的能力，然后适当地修改我们的火箭和软件。”

“3D打印和可重复使用性之间存在着某种有机的联系，它使我们在设计最好的完全可重复使用的火箭方面具有无可比拟的优势。”Relativity Space联合创始人兼CEO Tim Ellis说。

Relativity Space联合创始人兼CEO Tim Ellis

“Relativity公司成立时的使命就是3D打印整个火箭，并在火星上建立人类的工业基地，”Ellis说。“这就不可避免的需要用到可扩展的、自主的3D打印技术。”

如果一切按计划进行，Relativity Space公司预计Terran R将于2024年从卡纳维拉尔角的16号发射场发射。

▍结语

目前看来，火箭发动机乃至整枚火箭都由3D打印技术生产似乎已经成了航天工业未来的趋势之一。而伴随这一进程到来的将会是一个安全、廉价、高效的太空探索新时代。