通过3D打印变革推进器和火箭发动机的设计与制造，成就企业能力边界扩展

| 3DScienceValley · 2024/07/08

太空推进是航空航天工程的一个分支，它揭示了推动航天器和卫星穿越外太空的方法和技术。挑战是用于推进航天器和卫星的方法很复杂，有时很难与新制造技术相结合。这些挑战涵盖了冷气体空间推进、核推进、电力空间推进和化学空间推进等方面。3D科学谷观察到3D打印开辟了应对挑战的新途径，Agile Space Industries这家公司充分的利用了3D打印的优势。本期，3D科学谷通过揭示Agile Space的多点布局其核心竞争力的案例，来与谷友共同领略基于3D打印如何扩展一家初创企业的能力边界。

▲ 3D打印推进系统组件
© Agile Space

从设计到制造

Agile Space Industries 是一家专注于太空推进解决方案的公司，通过增材制造技术变革推进器和火箭发动机的设计与制造，Agile Space Industries 开发了多种产品，包括A110推进器、LE144推进器和A2200发动机，它们适用于不同的太空任务，包括月球着陆器，其客户包括月球探索公司Astrobotic等。根据3D科学谷的市场观察Agile Space还与6K Additive合作，推进其IN625镍基高温合金粉末在太空应用中的认证，特别是用于Agile的A2200双组元自燃发动机方面的制造，6K Additive 通过其回收计划和可持续制造的粉末帮助Agile Space Industries 实现环保目标。

迄今为止，Agile Space以制造推进器和火箭发动机而闻名，提供从设计、AM增材制造服务、减材制造到测试能力的一系列服务。

▲ 3D打印复杂组件
© 3D科学谷白皮书

太空推进系统的挑战

太空推进的五大挑战包括热管理、地面测试能力、超过一年的持续时间内的性能、飞行率、材料科学（在热管理中发挥作用）。

然而，尽管需要考虑的因素范围很广，但AM-增材制造可以帮助解决这些挑战中有几个。增材制造可以帮助解决热管理、飞行速度和材料科学问题。

此外，除了将3D打印用于开发之外，真正重要的是如何衔接后期的制造应用，这还设计到3D打印系统的大小和生产率。对于小众组件，增材制造非常适合实现复杂的冷却通道几何形状等，即使在更高的产量要求下也是如此。

Highlight

航天器推进系统是利用自身携带的工质，依靠反作用原理为航天器提供推力或力矩的整套装置，它能够在大气层外真空中条件下工作，使航天器达到所需要的速度和飞行姿态。一般又称为空间推进系统。太空推进动力系统是航天器在太空中进行轨道机动、姿态控制、轨道保持等任务的关键技术。太空推进系统可以分为不同的类型，包括但不限于以下几种：

化学能推进系统：通过化学反应释放能量，转化为推力，是最常见的推进方式之一。

霍尔推进器：一种电推进系统，具有较小的推力但高比冲和低燃料消耗的特点，适用于卫星轨道维持和深空探测任务，因其持续性好和精准度高而受到重视。

核动力推进系统：虽然目前尚未应用于太空飞行，但研究表明核动力火箭具有巨大的潜力，能够提供更高的速度和更远的探索距离。核热推进系统的研究在20世纪60年代开始，但因法规和资金问题进展缓慢。近年来，随着政策和资金的支持，核动力火箭有望在未来十年内实现。

其他推进方式：包括但不限于辐射能、太阳能帆等，每种方式都有其优缺点。

太空推进系统的选择取决于航天器的任务需求、对推进力和力矩的具体要求以及对性能、可靠性和成本的考量。随着技术的发展，新型推进系统如核动力推进和电推进等正在逐步成熟，有望为未来的太空探索提供更加强大和高效的动力支持。

关键应用和挑战

Agile Space的先进制造中心已通过 ISO9001、AS9100 认证，并已获得 ITAR 注册和 NIST-SP-800-171 合规性认证，负责从初始工艺开发到合格飞行硬件批量生产的增材制造操作。为此，他们利用了各种专业设备，包括金相和检测解决方案，例如 Keyence VHX7100，可满足工艺开发和特性描述的需求。

就3D打印而言，Agile Space团队正在专注于九种独特的可制造合金，包括氧敏感耐火合金Nb C103。这主要事因为Agile Space会遇到现成的组件或系统不能满足特定要求的情况。在这种情况下，Agile Space创新性地设计和制造了专有的批量混合和除粉冲洗系统，提高了零件产量和整体效率。

增材制造最显著的优势在于其快速的周转能力，这使团队能够在几周内迭代设计。这种灵活性使得团队能够在短短一个月内将新产品带到测试台。事实上，Agile Space的许多产品由超过85%的增材制造零件组成，证明了增材制造在生产过程中的广泛使用。

增材制造对于喷射器和腔室设计等组件尤其重要，这些组件通常需要复杂的内部结构。例如，Agile Space的一些喷射器包含 50 多个内部弯曲歧管，每个歧管的末端孔径小于 0.5 毫米。这种对高精度的需求对于3D打印设备和工艺控制提出了高要求。

根据3D科学谷的了解，Agile Space为了确保一致性并降低任何尺寸或工艺变化的风险，使用相同的3D打印机进行开发和生产。在将3D打印机从开发过渡到生产之前，要经过一系列严格的工艺检查，才能符合生产用途。从原型设计到生产的无缝过渡凸显了Agile Space致力于在AM-增材制造工艺中保持高质量和可靠性标准的承诺，使其成为其提供创新太空推进解决方案的运营基石。

尽管增材制造具有众多优势，但我们需要注意该技术当前的潜在局限性。虽然这些限制在不同的AM-增材制造用户身上体验不同，但对于每个希望实现AM-增材制造实现产业化的从业者来说，有些挑战是共同的，其中一些挑战包括数据集成和管理。

数据集成与管理

提醒一下，管理AM-增材制造对于建立零件可追溯性、了解AM-增材制造流程和在制造过程中做出决策至关重要数据管理是产品开发生命周期的一部分。在这种情况下，当必须处理这些数据的数量、速度、种类和准确性时，数据的整理、集成、融合、共享和分析就变得复杂了。

那么有没有比较好的数据管理方法？

3D科学谷了解到Agile Space在流程开发过程中实施统计实验设计方法，重点关注关键流程参数。Agile Space在3D打印过程中收集过程中的数据，主要是热特征，并对其进行分析以确定关键材料特性，例如孔隙率。这一过程使Agile Space能够根据经验证据优化他们的操作。至关重要的是，Agile Space的内部推进测试设施配备了广泛的测试仪器，使其能够通过对实际组件的功能测试来验证材料特性，这种方法可以更准确、更直接地评估材料在最终应用中的表现。

虽然Agile Space的内部解决方案可能会加速流程开发和认证，但Agile Space不是软件开发公司。因此，Agile Space积极采用软件协同硬件方面的进步，以进一步增强将大量数据集转化为可操作见解的能力。

总体来说，Agile Space 在热火测试和系统设计和开发方面拥有十年的专业知识，3D科学谷了解到其核心实力不仅仅建立在对设计、硬件和软件的贯通能力上，其对纳入更多耐火合金的兴趣日益浓厚，并通过试验计算设计材料，当前的重点是提升在热机械补偿和增材设计软件方面的专业知识，以创造创新的推进器。例如，较新的组件可能包含仍然难以鉴定的复杂功能，例如功能晶格或需要直径小于 100 微米的可重复孔。