洞察目前国内卫星3D打印应用的技术逻辑与商业价值
根据3D科学谷的市场观察，3D打印在卫星尤其是小卫星方面的应用越来越深化，而卫星小型化已成为一种行业趋势。未来，小卫星将发挥越来越重要的作用，并向实用化、业务化发展，在通信、对地观测、空间科学、技术试验等领域的应用能力进一步提升。2018年至2022年间，全球发射的微小卫星数量将从263颗上升到460颗。预计2022年全球500kg以下小卫星市场将达71.79亿美元
根据中国信通院发布的《6G概念及愿景白皮书》，5G时代仍将有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无移动网络信号。因此，“建设覆盖更广、带宽更大、时延更低、可靠性更高的卫星互联网，作为地面通信的有益补充手段，是弥补全球数字鸿沟的关键。
本期，3D科学谷将与谷友一起，深度了解目前国内卫星3D打印应用的技术逻辑与商业价值。
爆发的市场潜力，巧遇新型制造技术
目前北京已有4家民营火箭企业实施商业发射，国内多家民营企业提出并开始实施自己的星座计划，涉及遥感、低轨宽带互联网通信、低轨窄带物联网通信等领域，发展前景非常广阔。
北京市经信局
从2015年开始，中国诞生了以星际荣耀、蓝箭航天、星河动力、科工火箭等为代表的商业火箭企业，双曲线、快舟、捷龙系列商业火箭已实现成功入轨发射。关于3D打印在火箭领域的应用，3D科学谷曾分享过《盘点世界范围内3D打印如何驱动下一代航天制造技术》。而不仅仅是5G通信的需求，上游火箭发射的蓬勃发展，也进一步加强了下游卫星制造的发展步伐。
根据3D科学谷的《3D打印与航天研发与制造业白皮书》，随着卫星技术与应用的不断发展，人们在要求降低卫星成本、减小风险的同时，迫切需要加快卫星开发研制周期。特别是单一任务的专用卫星，以及卫星组网，更需要投资小、见效快的卫星技术。小卫星技术因此应运而生。
为什么世界范围内兴起了3D打印小卫星热？根据卫星的质量，通常将小于1000公斤的卫星称为广义的小卫星，其中，将500-1000公斤的卫星称为小卫星，100-500公斤的卫星称为微小卫星，10-100公斤的称为显微卫星，小于10公斤的称为纳米卫星，而小于1千克的为芯片卫星。3D科学谷认为，纳米卫星的尺寸刚好适合当前3D打印技术所可以满足的制造尺寸。
l 技术逻辑之一
轻量化的卫星结构
3D打印在实现轻量化结构件方面的两大主流逻辑：一是使用轻量化材料，例如以塑料代替金属。工程塑料在机械性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等方面能达到更高的要求，而且加工更方便并可替代金属材料。工程塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。二是3D打印点阵结构，统制造中，是通过减少非关键区域的材料来减少材料的使用，以减轻重量。而点阵设计却可以同时减少零件关键区域中的材料以减轻重量，这样做有时确实降低了零件的整体强度，但却可以提高强度 – 重量比。
2017年8月17日俄罗斯太空漫步的宇航员释放了世界上第一颗几乎全部采用3D打印机的卫星，在释放的五颗卫星中，其中一颗卫星Tomsk TPU-120几乎全部采用3D打印技术生产，成为俄罗斯进入到空间的首款3D打印卫星。
3D打印的Tomsk TPU-120是一个非常轻巧的设备，外形方方正正，尺寸为300×100×100毫米。该卫星的外壳是使用经俄罗斯宇航局批准的材料3D打印而成的，大部分是塑料部件。为卫星提供动力的电池组外壳，是用氧化锆陶瓷材料3D打印而成的。使用陶瓷材料能够不受太空温度剧烈变化的伤害，从而延长电池组的寿命。
就在2017年5月，欧洲航天局（ESA）推出了一项新的3D打印CubeSat立体小卫星项目，材质为PEEK塑料。随着第一次测试运行正式进行，欧空局旨在使这些3D打印的微型卫星投入商业应用，并配有内部电气线路。而仪器、电路板和太阳能电池板只需要插入即可。
立方体卫星的结构体部分，构型相对复杂，并且生产数量较小，使用传统注塑和机加的方式成本高，并且制造难度高，目前有对越来越多的研究机构通过3D打印来制造PEEK 材料的立方体卫星结构体。国内INTAMSYS 远铸智能通过其FFF/FDM设备已经拥有了3D打印PEEK 立方体卫星的案例。
▲远铸智能FFF/FDM设备3D打印的PEEK 立方体卫星
©INTAMSYS 远铸智能
在金属3D打印方面，根据3D科学谷的了解，中国中国空间技术研究院在积极的进行通过3D打印立体小卫星的布局。
2019年8月17日，捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心点火起飞，以“一箭三星”的方式将“千乘一号01星”卫星送入预定轨道，发射取得圆满成功。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构，千乘一号卫星入轨运行稳定，标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级，即实际系统成功完成使用任务。
千乘一号小卫星结构由航天五院总体部机械系统事业部负责研制，千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星频率提高至110Hz，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月，整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸。
3D打印不仅仅实现点阵结构这样的轻量化结构，在卫星制造方面的应用技术逻辑还包括：一体化结构实现、高附加值零件制造、动力结构制造等等。
l 技术逻辑之二
一体化结构实现方面
3D打印的突出特点有两个：免除模具以及制造成本对设计的复杂性不敏感，也就是说3D打印适合制造复杂形状的产品，包括一体化结构、仿生学设计、异形结构、轻量化点阵结构、薄壁结构、梯度合金、复合材料、超材料等等。
通过3D打印实现结构一体化已经在很多行业获得了经典应用案例。
2017年，空中客车防务及航天公司的射频滤波器项目充分展示了3D打印的能力，为数十年没有明显变化的航空业提供了新的创新设计。通过改进滤波器形状和表面来提升其功能，而这是传统制造方式无法提供的，定制型的设计也有效降低了滤波器的生产时间和成本。当然在提升材料强度的同时还使滤波器更轻质。
之前的射频滤波器是按照传统的标准化元素设计的，例如矩形腔和波导截面。部件的形状和连接由典型制造工艺决定，比如铣削和电火花腐蚀。然后，滤波器的腔体需要将两个部分通过加工固定在一起。显然这样做的话重量会比较重，需要装配的部分也会增加生产时间，还需要额外的质量评估。3D Systems（GF合作伙伴）为该项目提供了相关的服务，包括经过验证的粉体处理、材料密度控制、经过验证的后处理和可靠的质量管控。
l 技术逻辑之三
高附加值零件
当然3D打印用于前面所述的以塑代钢的应用场景，打印点阵轻量化结构，实现结构一体化等，本身也在创造附加值。
这里面谈到的高附加值零件是指原本通过传统制造工艺来实现的高附加值零件，而通过3D打印来实现，解决了传统制造工艺所难以克服的痛点。
例如卫星上用的光学系统器件需要能够满足高刚度、高强度和高稳定性的需求，从而能够承受恶劣的机械和热环境，并确保光学性能。尽管传统的光学组件制造工艺已经达到了极高的技术水平，但仍属于劳动密集型产业，在保证光学系统性能方面仍存在挑战。
增材制造技术能够简化光学器件的制造流程，缩短交货期并降低材料消耗。更重要的是，增材制造技术能够实现功能集成的优化设计方案，尤其在卫星光学系统制造领域，增材制造技术能够满足用户对轻型光学系统不断增长的需求，并实现下一代高附加值光学器件的制造。
通过增材制造技术开发的下一代光学仪器中，将越来越多采用紧凑的功能集成设计，如集成隔热，冷却通道，局限的机械和热接口，以及将光学功能作为设备自身结构的一部分。紧凑集成化设计减少了组件装配过程中出现问题的风险，同时开辟了制造冷却光学系统，有源光学系统或自由曲面的新方式。陶瓷增材制造技术的净成形能力，还能够提高准确性，改善集成/结合过程的质量。
在成就高附加值零件方面，3D打印的应用还包括很多，除了打印极度复杂的结构、打印混合材料，3D打印因为技术种类繁多也带来了高附加值零件的创新空间，例如3D打印感应器、3D打印多层电路、3D打印电池等等。
l 技术逻辑之四
轻量化的动力装置
3D打印在动力装备的技术发展逻辑概括为两点：爆发力强、安全性高。提升爆发力方面，3D打印释放了设计与制造的自由度，例如通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；提升安全性方面，例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。
3D科学谷
国际上，在卫星领域，小卫星发射器制造领域对于3D打印技术的应用颇为活跃。
- 小型推进系统
根据3D科学谷的市场观察，早在2015年，洛克达因公司成功完成MPS-120™立方体卫星高推力可适应模块化推进系统（CHAMPS）的热点火测试。MPS-120是首个通过3D打印的肼推进系统，并且设计用于为立方体卫星提供动力，而该系统以前无法用于这些微型卫星。
MPS-120系统包括3D打印的钛合金活塞、推进剂储箱和增压室。MPS-120可以兼容肼类推进剂和绿色推进剂。MPS-120的整个系统与一个咖啡杯大小相当。MPS-120热点火测试是验证革命性推进方案的一个重要里程碑，它将使许多新的立方体卫星任务成为可能。
采用3D打印技术，该系统的制造仅需一个星期，而系统组装只需要两天时间。经验证，MPS-120发动机的推进能力比所要求的高5倍以上，并几次将推进剂储箱内的燃料用尽以进行测试。经过这次验证测试，该系统的技术成熟度和制造成熟度均达到6级，下一步是通过资格审定并实现太空飞行。
- 塞式喷管发动机
2020年，德国Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一种增材制造-3D打印塞式喷管发动机，该发动机用于微型卫星发射器，其有效载荷可达350公斤。与传统设计相比，这款发动机在轻量化和燃料节省方面具有明显优势。
▲3D打印塞式喷管发动机
© Fraunhofer
这个小型发动机中的燃油喷射器、燃烧室和喷管是采用粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技术制造的。喷管由尖峰状中心体组成, 该设计旨在加速气体燃烧。
越来越开阔的卫星赛道
理解卫星的商业发展逻辑，还需要还原到商业航天以及国内新基建的发展逻辑的背景之下。
▲中国航天增材制造应用成果（部分）
© 3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》
根据中金研报的分析，在新基建的推动下，这些商业航天企业的发展有望进入快车道，同时会带动中国卫星（卫星总装），航天电子（航天测控等），航天电器（宇航连接器），海格通信（北斗地面设备），中国卫通（卫星通信）等产业链上下游企业实现快速发展。
根据3D科学谷，3D打印与航天领域的方方面面在发生结合，而新的技术降低了商业航天领域的准入门槛，催生了创业企业的诞生。
民营火箭领域，目前国内有将固体火箭和液氧甲烷作为技术战略的星际荣耀，走液氧煤油技术路线的深蓝航天。卫星领域，国内有以遥感卫星和窄带通信卫星为主的千乘探索，主要研发宽带通讯卫星的银河航天等等。
2020年的一个显著变化是，大量的太空任务是由经济和国家安全驱动，而不仅仅是实验室科研。随着美国已经形成NASA负责深空探索，民营的SpaceX等公司负责降成本、商业化的航空航天新格局，民营公司正扮演越来越重要角色。经纬创投亦在此领域积极布局，投资了星际荣耀、蓝箭航天、银河航天、长光卫星、天仪研究院、遨天科技等企业。
经纬创投
2015年起，以九天微星、微纳星空、银河航天、天仪研究院等为代表的商业卫星企业纷纷创立，并已经制造、运营了多颗卫星。
l 商业逻辑
那么卫星的商业发展逻辑是怎样的呢？
狭义的卫星互联网即太空高速通信网络，也就是星链正在做的事，利用多颗卫星形成宽带通信网络覆盖。这一业务其实更适合地广人稀的国家和地区，解决无基站区域的通信需求。广义的卫星互联网是指，卫星作为基础设施，成为综合的业务服务平台，通过搭载不同的载荷提供不同的业务，与5G、工业互联网、物联网结合，催生丰富的应用场景。如卫星搭载5G的载荷，可以满足宽带通信；搭载相机，能实现全球无缝遥感；搭载导航增强载荷，实现高精度定位，提升自动驾驶的安全性；搭载星基计算载荷实现分布式计算平台。当地球被成千上万颗这样的低轨卫星包裹，万物互联将成为现实，最终汇聚海量的时空大数据，服务智慧城市和智慧地球。
新京报
l 卫星互联网经济
那么民营卫星企业的发展如何呢？
拿银河航天举例，从2016年创立至今，银河航天已经拿到了4轮融资，银河航天致力于通过敏捷开发、快速迭代模式，规模化研制低成本、高性能小卫星，打造全球领先的低轨宽带通信卫星星座，建立一个覆盖全球的天地融合5G通信网络。改善所有区域、每个人的网络连接状况，提供经济实用、快捷方便的宽带网络和服务。2020年10月银河航天完成其新一轮融资，融资后，银河航天投后估值近80亿元人民币，成为我国商业航天及卫星互联网领域第一只独角兽企业。
卫星互联网正在成为拉动全球经济增长的新引擎。摩根士丹利报告指出，建造能够提供低成本高速互联网的卫星星座正在推动全球太空经济增长。预计到2040年，全球太空经济的价值将达到1万亿美元；其中，卫星互联网预计将占市场增长的50%甚至70%。目前，全球卫星互联网已经进入快速部署阶段。美国商业航天公司SpaceX正在加快部署由近4.2万颗卫星组成的低轨星座“星链计划”。我国卫星互联网建设也正在提速，2020年1月16日，银河航天首发星成功发射，该星不仅是中国首颗通信能力达到24Gbps的低轨宽带通信卫星，也是我国目前由民营企业研制的唯一在轨运行的宽带互联网卫星。
经纬创投
银河航天将在南通重点打造新一代卫星智能制造超级工厂，向年产300-500颗卫星迈进，该工厂建成后将是我国商业航天领域首条对标“星链计划”——具备低成本、批量化制造新一代低轨宽带通信卫星的智能生产线，有望把中国新一代卫星批产能力和美国的差距缩短到两年内。
l 新赛道上的新技术PK
根据3D科学谷的市场观察，3D打印技术已成为航天制造过程中的中流砥柱技术，3D打印技术正在催生航天制造的新赛道，不过这条赛道上随着越来越多的新加入者，竞争会愈发激烈。
▲商业航天市场参与主体
© 3D科学谷《3D打印与航天研发与制造业白皮书》
商业航天增材制造方面，最终的赢家不仅要有核心的设计实力，还需要多点建立竞争壁垒，譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力，通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒，同时还需要搭建软件实力，将数据流中的价值提取出来，将数据转化为企业前进的动力“燃料”。
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