洞察目前國內衛星3D打印應用的技術邏輯與商業價值
時間：2021-11-05 09:46 來源：3D科學谷 作者：admin 閱讀：次
3D打印在衛星尤其是小衛星方面的應用越來越深化，而衛星小型化已成為一種行業趨勢。未來，小衛星將發揮越來越重要的作用，并向實用化、業務化發展，在通信、對地觀測、空間科學、技術試驗等領域的應用能力進一步提升。2018年至2022年間，全球發射的微小衛星數量將從263顆上升到460顆。預計2022年全球500kg以下小衛星市場將達71.79億美元。根據中國信通院發布的《6G概念及愿景白皮書》，5G時代仍將有80%以上的陸地區域和95%以上的海洋區域無移動網絡信號。因此，“建設覆蓋更廣、帶寬更大、時延更低、可靠性更高的衛星互聯網，作為地面通信的有益補充手段，是彌補全球數字鴻溝的關鍵。本期，將與谷友一起，深度了解目前國內衛星3D打印應用的技術邏輯與商業價值。
▲《3D科學谷航天白皮書》
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爆發的市場潛力，巧遇新型制造技術
目前北京已有4家民營火箭企業實施商業發射，國內多家民營企業提出并開始實施自己的星座計劃，涉及遙感、低軌寬帶互聯網通信、低軌窄帶物聯網通信等領域，發展前景非常廣闊。
北京市經信局
從2015年開始，中國誕生了以星際榮耀、藍箭航天、星河動力、科工火箭等為代表的商業火箭企業，雙曲線、快舟、捷龍系列商業火箭已實現成功入軌發射。關于3D打印在火箭領域的應用，3D科學谷曾分享過《盤點世界范圍內3D打印如何驅動下一代航天制造技術》。而不僅僅是5G通信的需求，上游火箭發射的蓬勃發展，也進一步加強了下游衛星制造的發展步伐。
/輕量化、高附加值、更節能
根據3D科學谷的《3D打印與航天研發與制造業白皮書》，隨著衛星技術與應用的不斷發展，人們在要求降低衛星成本、減小風險的同時，迫切需要加快衛星開發研制周期。特別是單一任務的專用衛星，以及衛星組網，更需要投資小、見效快的衛星技術。小衛星技術因此應運而生。
為什么世界范圍內興起了3D打印小衛星熱？根據衛星的質量，通常將小于1000公斤的衛星稱為廣義的小衛星，其中，將500-1000公斤的衛星稱為小衛星，100-500公斤的衛星稱為微小衛星，10-100公斤的稱為顯微衛星，小于10公斤的稱為納米衛星，而小于1千克的為芯片衛星。3D科學谷認為，納米衛星的尺寸剛好適合當前3D打印技術所可以滿足的制造尺寸。
l技術邏輯之一
輕量化的衛星結構
3D打印在實現輕量化結構件方面的兩大主流邏輯：一是使用輕量化材料，例如以塑料代替金屬。工程塑料在機械性能、耐久性、耐腐蝕性、耐熱性等方面能達到更高的要求，而且加工更方便并可替代金屬材料。工程塑料被廣泛應用于電子電氣、汽車、建筑、辦公設備、機械、航空航天等行業，以塑代鋼、以塑代木已成為國際流行趨勢。二是3D打印點陣結構，統制造中，是通過減少非關鍵區域的材料來減少材料的使用，以減輕重量。而點陣設計卻可以同時減少零件關鍵區域中的材料以減輕重量，這樣做有時確實降低了零件的整體強度，但卻可以提高強度
– 重量比。
2017年8月17日俄羅斯太空漫步的宇航員釋放了世界上第一顆幾乎全部采用3D打印機的衛星，在釋放的五顆衛星中，其中一顆衛星Tomsk TPU-120幾乎全部采用3D打印技術生產，成為俄羅斯進入到空間的首款3D打印衛星。
3D打印的Tomsk
TPU-120是一個非常輕巧的設備，外形方方正正，尺寸為300×100×100毫米。該衛星的外殼是使用經俄羅斯宇航局批準的材料3D打印而成的，大部分是塑料部件。為衛星提供動力的電池組外殼，是用氧化鋯陶瓷材料3D打印而成的。使用陶瓷材料能夠不受太空溫度劇烈變化的傷害，從而延長電池組的壽命。
立方體衛星的結構體部分，構型相對復雜，并且生產數量較小，使用傳統注塑和機加的方式成本高，并且制造難度高，目前有對越來越多的研究機構通過3D打印來制造PEEK
材料的立方體衛星結構體。國內INTAMSYS 遠鑄智能通過其FFF/FDM設備已經擁有了3D打印PEEK 立方體衛星的案例。
▲遠鑄智能FFF/FDM設備3D打印的PEEK 立方體衛星
INTAMSYS 遠鑄智能
在金屬3D打印方面，根據3D科學谷的了解，中國中國空間技術研究院在積極的進行通過3D打印立體小衛星的布局。
2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛星發射中心點火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛星送入預定軌道，發射取得圓滿成功。千乘一號衛星主結構是目前國際首個基于3D打印點陣材料的整星結構，千乘一號衛星入軌運行穩定，標志著用于航天器主承力結構的3D打印三維點陣結構技術成熟度達到九級，即實際系統成功完成使用任務。
3D打印不僅僅實現點陣結構這樣的輕量化結構，在衛星制造方面的應用技術邏輯還包括：一體化結構實現、高附加值零件制造、動力結構制造等等。
l技術邏輯之二
一體化結構實現方面
3D打印的突出特點有兩個：免除模具以及制造成本對設計的復雜性不敏感，也就是說3D打印適合制造復雜形狀的產品，包括一體化結構、仿生學設計、異形結構、輕量化點陣結構、薄壁結構、梯度合金、復合材料、超材料等等。
通過3D打印實現結構一體化已經在很多行業獲得了經典應用案例。
2017年，空中客車防務及航天公司的射頻濾波器項目充分展示了3D打印的能力，為數十年沒有明顯變化的航空業提供了新的創新設計。通過改進濾波器形狀和表面來提升其功能，而這是傳統制造方式無法提供的，定制型的設計也有效降低了濾波器的生產時間和成本。當然在提升材料強度的同時還使濾波器更輕質。
之前的射頻濾波器是按照傳統的標準化元素設計的，例如矩形腔和波導截面。部件的形狀和連接由典型制造工藝決定，比如銑削和電火花腐蝕。然后，濾波器的腔體需要將兩個部分通過加工固定在一起。顯然這樣做的話重量會比較重，需要裝配的部分也會增加生產時間，還需要額外的質量評估。3D
Systems（GF合作伙伴）為該項目提供了相關的服務，包括經過驗證的粉體處理、材料密度控制、經過驗證的后處理和可靠的質量管控。
l技術邏輯之三
高附加值零件
當然3D打印用于前面所述的以塑代鋼的應用場景，打印點陣輕量化結構，實現結構一體化等，本身也在創造附加值。
這里面談到的高附加值零件是指原本通過傳統制造工藝來實現的高附加值零件，而通過3D打印來實現，解決了傳統制造工藝所難以克服的痛點。
例如衛星上用的光學系統器件需要能夠滿足高剛度、高強度和高穩定性的需求，從而能夠承受惡劣的機械和熱環境，并確保光學性能。盡管傳統的光學組件制造工藝已經達到了極高的技術水平，但仍屬于勞動密集型產業，在保證光學系統性能方面仍存在挑戰。
增材制造技術能夠簡化光學器件的制造流程，縮短交貨期并降低材料消耗。更重要的是，增材制造技術能夠實現功能集成的優化設計方案，尤其在衛星光學系統制造領域，增材制造技術能夠滿足用戶對輕型光學系統不斷增長的需求，并實現下一代高附加值光學器件的制造。
通過增材制造技術開發的下一代光學儀器中，將越來越多采用緊湊的功能集成設計，如集成隔熱，冷卻通道，局限的機械和熱接口，以及將光學功能作為設備自身結構的一部分。緊湊集成化設計減少了組件裝配過程中出現問題的風險，同時開辟了制造冷卻光學系統，有源光學系統或自由曲面的新方式。陶瓷增材制造技術的凈成形能力，還能夠提高準確性，改善集成/結合過程的質量。
在成就高附加值零件方面，3D打印的應用還包括很多，除了打印極度復雜的結構、打印混合材料，3D打印因為技術種類繁多也帶來了高附加值零件的創新空間，例如3D打印感應器、3D打印多層電路、3D打印電池等等。
l技術邏輯之四
輕量化的動力裝置
3D打印在動力裝備的技術發展邏輯概括為兩點：爆發力強、安全性高。提升爆發力方面，3D打印釋放了設計與制造的自由度，例如通過優化燃料與空氣的混合比，提升動力裝備的動能；提升安全性方面，例如通過3D打印冷卻通道或者是銅金屬，提升了動力裝備的快速散熱性能，獲得更高的安全性。
3D科學谷
國際上，在衛星領域，小衛星發射器制造領域對于3D打印技術的應用頗為活躍。
-小型推進系統
MPS-120系統包括3D打印的鈦合金活塞、推進劑儲箱和增壓室。MPS-120可以兼容肼類推進劑和綠色推進劑。MPS-120的整個系統與一個咖啡杯大小相當。MPS-120熱點火測試是驗證革命性推進方案的一個重要里程碑，它將使許多新的立方體衛星任務成為可能。
采用3D打印技術，該系統的制造僅需一個星期，而系統組裝只需要兩天時間。經驗證，MPS-120發動機的推進能力比所要求的高5倍以上，并幾次將推進劑儲箱內的燃料用盡以進行測試。經過這次驗證測試，該系統的技術成熟度和制造成熟度均達到6級，下一步是通過資格審定并實現太空飛行。
-塞式噴管發動機
2020年，德國Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一種增材制造-3D打印塞式噴管發動機，該發動機用于微型衛星發射器，其有效載荷可達350公斤。與傳統設計相比，這款發動機在輕量化和燃料節省方面具有明顯優勢。
▲3D打印塞式噴管發動機
Fraunhofer
這個小型發動機中的燃油噴射器、燃燒室和噴管是采用粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術制造的。噴管由尖峰狀中心體組成, 該設計旨在加速氣體燃燒。
越來越開闊的衛星賽道
理解衛星的商業發展邏輯，還需要還原到商業航天以及國內新基建的發展邏輯的背景之下。
▲中國航天增材制造應用成果（部分）
3D科學谷《3D打印與航天研發與制造業白皮書》
根據中金研報的分析，在新基建的推動下，這些商業航天企業的發展有望進入快車道，同時會帶動中國衛星（衛星總裝），航天電子（航天測控等），航天電器（宇航連接器），海格通信（北斗地面設備），中國衛通（衛星通信）等產業鏈上下游企業實現快速發展。
根據3D科學谷，3D打印與航天領域的方方面面在發生結合，而新的技術降低了商業航天領域的準入門檻，催生了創業企業的誕生。
民營火箭領域，目前國內有將固體火箭和液氧甲烷作為技術戰略的星際榮耀，走液氧煤油技術路線的深藍航天。衛星領域，國內有以遙感衛星和窄帶通信衛星為主的千乘探索，主要研發寬帶通訊衛星的銀河航天等等。
2020年的一個顯著變化是，大量的太空任務是由經濟和國家安全驅動，而不僅僅是實驗室科研。隨著美國已經形成NASA負責深空探索，民營的SpaceX等公司負責降成本、商業化的航空航天新格局，民營公司正扮演越來越重要角色。經緯創投亦在此領域積極布局，投資了星際榮耀、藍箭航天、銀河航天、長光衛星、天儀研究院、遨天科技等企業。
經緯創投
/開辟制造衛星的賽道
2015年起，以九天微星、微納星空、銀河航天、天儀研究院等為代表的商業衛星企業紛紛創立，并已經制造、運營了多顆衛星。
l商業邏輯
那么衛星的商業發展邏輯是怎樣的呢？
狹義的衛星互聯網即太空高速通信網絡，也就是星鏈正在做的事，利用多顆衛星形成寬帶通信網絡覆蓋。這一業務其實更適合地廣人稀的國家和地區，解決無基站區域的通信需求。廣義的衛星互聯網是指，衛星作為基礎設施，成為綜合的業務服務平臺，通過搭載不同的載荷提供不同的業務，與5G、工業互聯網、物聯網結合，催生豐富的應用場景。如衛星搭載5G的載荷，可以滿足寬帶通信；搭載相機，能實現全球無縫遙感；搭載導航增強載荷，實現高精度定位，提升自動駕駛的安全性；搭載星基計算載荷實現分布式計算平臺。當地球被成千上萬顆這樣的低軌衛星包裹，萬物互聯將成為現實，最終匯聚海量的時空大數據，服務智慧城市和智慧地球。
新京報
l衛星互聯網經濟
那么民營衛星企業的發展如何呢？
拿銀河航天舉例，從2016年創立至今，銀河航天已經拿到了4輪融資，銀河航天致力于通過敏捷開發、快速迭代模式，規模化研制低成本、高性能小衛星，打造全球領先的低軌寬帶通信衛星星座，建立一個覆蓋全球的天地融合5G通信網絡。改善所有區域、每個人的網絡連接狀況，提供經濟實用、快捷方便的寬帶網絡和服務。2020年10月銀河航天完成其新一輪融資，融資后，銀河航天投后估值近80億元人民幣，成為我國商業航天及衛星互聯網領域第一只獨角獸企業。
衛星互聯網正在成為拉動全球經濟增長的新引擎。摩根士丹利報告指出，建造能夠提供低成本高速互聯網的衛星星座正在推動全球太空經濟增長。預計到2040年，全球太空經濟的價值將達到1萬億美元；其中，衛星互聯網預計將占市場增長的50%甚至70%。目前，全球衛星互聯網已經進入快速部署階段。美國商業航天公司SpaceX正在加快部署由近4.2萬顆衛星組成的低軌星座“星鏈計劃”。我國衛星互聯網建設也正在提速，2020年1月16日，銀河航天首發星成功發射，該星不僅是中國首顆通信能力達到24Gbps的低軌寬帶通信衛星，也是我國目前由民營企業研制的唯一在軌運行的寬帶互聯網衛星。
經緯創投
銀河航天將在南通重點打造新一代衛星智能制造超級工廠，向年產300-500顆衛星邁進，該工廠建成后將是我國商業航天領域首條對標“星鏈計劃”——具備低成本、批量化制造新一代低軌寬帶通信衛星的智能生產線，有望把中國新一代衛星批產能力和美國的差距縮短到兩年內。
l新賽道上的新技術PK
根據3D科學谷的市場觀察，3D打印技術已成為航天制造過程中的中流砥柱技術，3D打印技術正在催生航天制造的新賽道，不過這條賽道上隨著越來越多的新加入者，競爭會愈發激烈。
▲商業航天市場參與主體
商業航天增材制造方面，最終的贏家不僅要有核心的設計實力，還需要多點建立競爭壁壘，譬如在設備端從設備開發商和材料開發商借力，通過開發特殊的3D打印設備及特殊的材料進一步拉高技術與制造壁壘，同時還需要搭建軟件實力，將數據流中的價值提取出來，將數據轉化為企業前進的動力“燃料”。
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