根據(jù)3D科學谷的市場觀察，3D打印在衛(wèi)星尤其是小衛(wèi)星方面的應用越來越深化，而衛(wèi)星小型化已成為一種行業(yè)趨勢。未來，小衛(wèi)星將發(fā)揮越來越重要的作用，并向?qū)嵱没I(yè)務化發(fā)展，在通信、對地觀測、空間科學、技術(shù)試驗等領域的應用能力進一步提升。2018年至2022年間，全球發(fā)射的微小衛(wèi)星數(shù)量將從263顆上升到460顆。預計2022年全球500kg以下小衛(wèi)星市場將達71.79億美元
根據(jù)中國信通院發(fā)布的《6G概念及愿景白皮書》，5G時代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無移動網(wǎng)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，作為地面通信的有益補充手段，是彌補全球數(shù)字鴻溝的關鍵。
本期，3D科學谷將與谷友一起，深度了解目前國內(nèi)衛(wèi)星3D打印應用的技術(shù)邏輯與商業(yè)價值。
▲《3D科學谷航天白皮書》
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爆發(fā)的市場潛力，巧遇新型制造技術(shù)
目前北京已有4家民營火箭企業(yè)實施商業(yè)發(fā)射，國內(nèi)多家民營企業(yè)提出并開始實施自己的星座計劃，涉及遙感、低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信、低軌窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信等領域，發(fā)展前景非常廣闊。
北京市經(jīng)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(yè)火箭企業(yè)，雙曲線、快舟、捷龍系列商業(yè)火箭已實現(xiàn)成功入軌發(fā)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(nèi)3D打印如何驅(qū)動下一代航天制造技術(shù)》。而不僅僅是5G通信的需求，上游火箭發(fā)射的蓬勃發(fā)展，也進一步加強了下游衛(wèi)星制造的發(fā)展步伐。
/輕量化、高附加值、更節(jié)能
根據(jù)3D科學谷的《3D打印與航天研發(fā)與制造業(yè)白皮書》，隨著衛(wèi)星技術(shù)與應用的不斷發(fā)展，人們在要求降低衛(wèi)星成本、減小風險的同時，迫切需要加快衛(wèi)星開發(fā)研制周期。特別是單一任務的專用衛(wèi)星，以及衛(wèi)星組網(wǎng)，更需要投資小、見效快的衛(wèi)星技術(shù)。小衛(wèi)星技術(shù)因此應運而生。
為什么世界范圍內(nèi)興起了3D打印小衛(wèi)星熱？根據(jù)衛(wèi)星的質(zhì)量，通常將小于1000公斤的衛(wèi)星稱為廣義的小衛(wèi)星，其中，將500-1000公斤的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星，100-500公斤的衛(wèi)星稱為微小衛(wèi)星，10-100公斤的稱為顯微衛(wèi)星，小于10公斤的稱為納米衛(wèi)星，而小于1千克的為芯片衛(wèi)星。3D科學谷認為，納米衛(wèi)星的尺寸剛好適合當前3D打印技術(shù)所可以滿足的制造尺寸。
l技術(shù)邏輯之一
輕量化的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)
3D打印在實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)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(yè)，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(jié)構(gòu)，統(tǒng)制造中，是通過減少非關鍵區(qū)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(qū)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(wèi)星，在釋放的五顆衛(wèi)星中，其中一顆衛(wèi)星Tomsk TPU-120幾乎全部采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)，成為俄羅斯進入到空間的首款3D打印衛(wèi)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(wèi)星的外殼是使用經(jīng)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(wèi)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(wèi)星的結(jié)構(gòu)體部分，構(gòu)型相對復雜，并且生產(chǎn)數(shù)量較小，使用傳統(tǒng)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(gòu)通過3D打印來制造PEEK 材料的立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體。國內(nèi)INTAMSYS 遠鑄智能通過其FFF/FDM設備已經(jīng)擁有了3D打印PEEK 立方體衛(wèi)星的案例。
▲遠鑄智能FFF/FDM設備3D打印的PEEK 立方體衛(wèi)星
INTAMSYS 遠鑄智能
在金屬3D打印方面，根據(jù)3D科學谷的了解，中國中國空間技術(shù)研究院在積極的進行通過3D打印立體小衛(wèi)星的布局。
2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號01星”衛(wèi)星送入預定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。千乘一號衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個基于3D打印點陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號衛(wèi)星入軌運行穩(wěn)定，標志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達到九級，即實際系統(tǒng)成功完成使用任務。
3D打印不僅僅實現(xiàn)點陣結(jié)構(gòu)這樣的輕量化結(jié)構(gòu)，在衛(wèi)星制造方面的應用技術(shù)邏輯還包括：一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、高附加值零件制造、動力結(jié)構(gòu)制造等等。
l技術(shù)邏輯之二
一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(chǎn)品，包括一體化結(jié)構(gòu)、仿生學設計、異形結(jié)構(gòu)、輕量化點陣結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、梯度合金、復合材料、超材料等等。
通過3D打印實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化已經(jīng)在很多行業(yè)獲得了經(jīng)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(shù)十年沒有明顯變化的航空業(yè)提供了新的創(chuàng)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(tǒng)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(chǎn)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(zhì)。
之前的射頻濾波器是按照傳統(tǒng)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(chǎn)時間，還需要額外的質(zhì)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(jīng)過驗證的粉體處理、材料密度控制、經(jīng)過驗證的后處理和可靠的質(zhì)量管控。
l技術(shù)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化等，本身也在創(chuàng)造附加值。
這里面談到的高附加值零件是指原本通過傳統(tǒng)制造工藝來實現(xiàn)的高附加值零件，而通過3D打印來實現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)制造工藝所難以克服的痛點。
例如衛(wèi)星上用的光學系統(tǒng)器件需要能夠滿足高剛度、高強度和高穩(wěn)定性的需求，從而能夠承受惡劣的機械和熱環(huán)境，并確保光學性能。盡管傳統(tǒng)的光學組件制造工藝已經(jīng)達到了極高的技術(shù)水平，但仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在保證光學系統(tǒng)性能方面仍存在挑戰(zhàn)。
增材制造技術(shù)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)功能集成的優(yōu)化設計方案，尤其在衛(wèi)星光學系統(tǒng)制造領域，增材制造技術(shù)能夠滿足用戶對輕型光學系統(tǒng)不斷增長的需求，并實現(xiàn)下一代高附加值光學器件的制造。
通過增材制造技術(shù)開發(fā)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(jié)構(gòu)的一部分。緊湊集成化設計減少了組件裝配過程中出現(xiàn)問題的風險，同時開辟了制造冷卻光學系統(tǒng)，有源光學系統(tǒng)或自由曲面的新方式。陶瓷增材制造技術(shù)的凈成形能力，還能夠提高準確性，改善集成/結(jié)合過程的質(zhì)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(jié)構(gòu)、打印混合材料，3D打印因為技術(shù)種類繁多也帶來了高附加值零件的創(chuàng)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(shù)邏輯之四
輕量化的動力裝置
3D打印在動力裝備的技術(shù)發(fā)展邏輯概括為兩點：爆發(fā)力強、安全性高。提升爆發(fā)力方面，3D打印釋放了設計與制造的自由度，例如通過優(yōu)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(wèi)星領域，小衛(wèi)星發(fā)射器制造領域?qū)τ?D打印技術(shù)的應用頗為活躍。
-小型推進系統(tǒng)
MPS-120系統(tǒng)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(tǒng)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(wèi)星任務成為可能。
采用3D打印技術(shù)，該系統(tǒng)的制造僅需一個星期，而系統(tǒng)組裝只需要兩天時間。經(jīng)驗證，MPS-120發(fā)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(nèi)的燃料用盡以進行測試。經(jīng)過這次驗證測試，該系統(tǒng)的技術(shù)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(xiàn)太空飛行。
-塞式噴管發(fā)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(fā)動機，該發(fā)動機用于微型衛(wèi)星發(fā)射器，其有效載荷可達350公斤。與傳統(tǒng)設計相比，這款發(fā)動機在輕量化和燃料節(jié)省方面具有明顯優(yōu)勢。
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▲3D打印塞式噴管發(fā)動機
Fraunhofer
這個小型發(fā)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(shù)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(wèi)星賽道
理解衛(wèi)星的商業(yè)發(fā)展邏輯，還需要還原到商業(yè)航天以及國內(nèi)新基建的發(fā)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(fā)與制造業(yè)白皮書》
根據(jù)中金研報的分析，在新基建的推動下，這些商業(yè)航天企業(yè)的發(fā)展有望進入快車道，同時會帶動中國衛(wèi)星（衛(wèi)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(wèi)通（衛(wèi)星通信）等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展。
根據(jù)3D科學谷，3D打印與航天領域的方方面面在發(fā)生結(jié)合，而新的技術(shù)降低了商業(yè)航天領域的準入門檻，催生了創(chuàng)業(yè)企業(yè)的誕生。
民營火箭領域，目前國內(nèi)有將固體火箭和液氧甲烷作為技術(shù)戰(zhàn)略的星際榮耀，走液氧煤油技術(shù)路線的深藍航天。衛(wèi)星領域，國內(nèi)有以遙感衛(wèi)星和窄帶通信衛(wèi)星為主的千乘探索，主要研發(fā)寬帶通訊衛(wèi)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(jīng)濟和國家安全驅(qū)動，而不僅僅是實驗室科研。隨著美國已經(jīng)形成NASA負責深空探索，民營的SpaceX等公司負責降成本、商業(yè)化的航空航天新格局，民營公司正扮演越來越重要角色。經(jīng)緯創(chuàng)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(wèi)星、天儀研究院、遨天科技等企業(yè)。
經(jīng)緯創(chuàng)投
/開辟制造衛(wèi)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(yè)衛(wèi)星企業(yè)紛紛創(chuàng)立，并已經(jīng)制造、運營了多顆衛(wèi)星。
l商業(yè)邏輯
那么衛(wèi)星的商業(yè)發(fā)展邏輯是怎樣的呢？
狹義的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)即太空高速通信網(wǎng)絡，也就是星鏈正在做的事，利用多顆衛(wèi)星形成寬帶通信網(wǎng)絡覆蓋。這一業(yè)務其實更適合地廣人稀的國家和地區(qū)，解決無基站區(qū)域的通信需求。廣義的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指，衛(wèi)星作為基礎設施，成為綜合的業(yè)務服務平臺，通過搭載不同的載荷提供不同的業(yè)務，與5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，催生豐富的應用場景。如衛(wèi)星搭載5G的載荷，可以滿足寬帶通信；搭載相機，能實現(xiàn)全球無縫遙感；搭載導航增強載荷，實現(xiàn)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(xiàn)分布式計算平臺。當?shù)厍虮怀汕先f顆這樣的低軌衛(wèi)星包裹，萬物互聯(lián)將成為現(xiàn)實，最終匯聚海量的時空大數(shù)據(jù)，服務智慧城市和智慧地球。
新京報
l衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟
那么民營衛(wèi)星企業(yè)的發(fā)展如何呢？
拿銀河航天舉例，從2016年創(chuàng)立至今，銀河航天已經(jīng)拿到了4輪融資，銀河航天致力于通過敏捷開發(fā)、快速迭代模式，規(guī)模化研制低成本、高性能小衛(wèi)星，打造全球領先的低軌寬帶通信衛(wèi)星星座，建立一個覆蓋全球的天地融合5G通信網(wǎng)絡。改善所有區(qū)域、每個人的網(wǎng)絡連接狀況，提供經(jīng)濟實用、快捷方便的寬帶網(wǎng)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(yè)航天及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域第一只獨角獸企業(yè)。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)正在成為拉動全球經(jīng)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(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星星座正在推動全球太空經(jīng)濟增長。預計到2040年，全球太空經(jīng)濟的價值將達到1萬億美元；其中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)預計將占市場增長的50%甚至70%。目前，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進入快速部署階段。美國商業(yè)航天公司SpaceX正在加快部署由近4.2萬顆衛(wèi)星組成的低軌星座“星鏈計劃”。我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設也正在提速，2020年1月16日，銀河航天首發(fā)星成功發(fā)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(wèi)星，也是我國目前由民營企業(yè)研制的唯一在軌運行的寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星。
經(jīng)緯創(chuàng)投
銀河航天將在南通重點打造新一代衛(wèi)星智能制造超級工廠，向年產(chǎn)300-500顆衛(wèi)星邁進，該工廠建成后將是我國商業(yè)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(wèi)星的智能生產(chǎn)線，有望把中國新一代衛(wèi)星批產(chǎn)能力和美國的差距縮短到兩年內(nèi)。
l新賽道上的新技術(shù)PK
根據(jù)3D科學谷的市場觀察，3D打印技術(shù)已成為航天制造過程中的中流砥柱技術(shù)，3D打印技術(shù)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(fā)激烈。
▲商業(yè)航天市場參與主體
3D科學谷《3D打印與航天研發(fā)與制造業(yè)白皮書》
商業(yè)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(fā)商和材料開發(fā)商借力，通過開發(fā)特殊的3D打印設備及特殊的材料進一步拉高技術(shù)與制造壁壘，同時還需要搭建軟件實力，將數(shù)據(jù)流中的價值提取出來，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為企業(yè)前進的動力“燃料”。
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