4月24日是中國航天日，在本月央視CCTV 9播出的一檔記錄節目——《下一站，火星》中，節目在人類探索外太空歷史的大視野下，以"天問一號”的飛行歷程為線索，梳理出中國首次火星探測任務的緣起、研制歷程及目標，涉及多個重要器件的研制過程。根據此前中國航天科技集團官方的消息，航天五院開發的3D打印自支撐晶格結構在天問一號探測器及祝融號火星車上成功應用；航天科技集團六院則將3D打印技術用于7500N變推力發動機最終相關零件的制造。除此之外，業內知名的服務商也曾對外公布參與了“天問一號”研制。
火星著陸的七八分鐘，要經歷高速進入火星、大氣高溫灼燒、超音速開傘、懸停避障等等一系列復雜動作。為了保證著陸安全，中國各地的航天工程師齊心合力，協同共建。其中西安的團隊（航天六院）負責著陸器的剎車裝置——變推力發動機。當天問一號下降到距離火星100km的高度，環繞器和著陸器分離。為使著陸巡視器降低運行速度達到著陸要求，作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機發揮關鍵作用，為著陸巡視器動力減速、懸停避障和緩速下降等軟著陸任務提供軌控推力。
這種發動機在探月工程中曾多次使用，嫦娥三號、四號、五號落月的最后階段，都是靠這種發動機反推實現減速和懸停的。但僅僅幾年過去，發動機的樣子已經完全不同。探月工程使用的變推力發動機高達1.4米，但火星著陸器布局受限，給變推力發動機留的空間只有半米多，必須縮小身形，但技術指標卻不能降低。雖然基本原理一樣，但改進工作與研制一臺新的發動機幾乎沒有區別。從總裝布局到系統參數都要大幅改變，從理論驗證到反復試車，每一個流程都必不可少。探月的發動機研制了八年，而天問一號的這個發動機包括驗證到交付使用了僅四年。
探月工程和天問一號7500N變推力發動機對比
探月工程和天問一號7500N變推力發動機對比
制造過程中，改進型7500N變推力發動機與以往7500N發動機的性能和推力一樣，但重量和體積只有以前發動機的三分之一，結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次采用3D打印技術，“一次打印成型”避免大余量去除原實心棒材或鍛件引起的變形，也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。
在3D打印技術參考最新的航空航天案例介紹中，NASA和Aerojet Rocketdyne的研究人員明確表示，與過去制造零件的方式相比，3D打印能夠增加可負擔性、縮短交貨時間并大大提高系統性能。實際上，這項價值幾乎被所有的航空航天制造商所認可。《下一站，火星》欄目在對7500N發動機的介紹中上不可能提及一項制造技術，但研制人員卻明確標表示，與過去探月工程的發動機相比，研制時間足足縮短了4年，這無不讓我們遐想是否有更多器件使用了3D打印，即使并未用來制造最終零件，但是否有可能用來進行原型制造，來加快設計迭代呢？
天問一號火星探測器標注圖（來自微博網友WLR2678）
在3D打印技術參考對中國民營航天的代表——深藍航天和星河動力的專訪中，雙方都將3D打印技術應用到了相關產品的研發和制造中。深藍航天雷霆-5液氧煤油發動機從方案設計到整機試車僅僅用時8個月，3D打印技術的應用加速了設計-制造-設計的迭代；星河動力則在“邊界”系列軌姿控動力系統設計之初就將3D打印方案納入考慮，3D打印使產品實現了輕量化、個性化、一體化、復雜化的總體性能提升。
更短的研制時間，更小的體積和重量，維持不變的性能和推力，天問一號的7500N變推力發動機在研制過程中是否更多的使用過3D打印技術，勢必要等待以后解密。目前已公開的相關研究中，其推進劑貯箱采用了7055高強鋁合金通過攪拌摩擦焊工藝制造，該工藝近些年來也被發展成了一種增材制造技術。
終歸，在天問一號的研制過程中，金屬3D打印技術確實發揮過重要作用。
l 本文章轉載于公眾號 3D打印技術參考
