3D打印超音速火箭受熱捧，獲得美英大量國防訂單，Rocket Lab年入4.3億美元

南極熊導讀：3D打印超音速火箭，正在獲得美英大量國防項目，金額可高達上億美元。
3D 打印技術(shù)（即增材制造）在超音速火箭導彈領(lǐng)域的應用正在迅速擴展，尤其是在需要復雜幾何形狀、高耐熱性能和快速生產(chǎn)能力的場景中。Rocket Lab 作為全球領(lǐng)先的航天系統(tǒng)和發(fā)射服務提供商，Rocket Lab 被選中參與美國空軍 EWAAC 計劃（價值 460 億美元）和英國國防部 HTCDF 項目（價值約 13 億美元），以支持超音速技術(shù)的發(fā)展。其創(chuàng)新的高超音速加速亞軌道測試電子火箭（HASTE）成為核心工具之一。HASTE 是 Electron 火箭的亞軌道版本，具備高頻發(fā)射能力，并優(yōu)化用于超音速任務。


技術(shù)背景與應用
超音速火箭導彈（飛行速度超過 5 馬赫）面臨極端環(huán)境挑戰(zhàn)，包括高溫、高壓和復雜的空氣動力學條件。3D 打印技術(shù)通過逐層構(gòu)建的方式，能夠制造傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)，從而滿足這些需求。研究表明，3D 打印在以下方面的應用尤為突出：


發(fā)動機組件
超音速火箭和導彈的發(fā)動機需要承受極高的溫度和壓力。Rocket Lab 的 Rutherford 發(fā)動機完全通過 3D 打印制造，包括燃燒室、噴注器、泵和主推進閥。這些組件使用激光粉末床融合技術(shù)，能夠承受超音速飛行中的極端高溫和壓力，適合 HASTE 火箭的超音速測試任務。

△Rutherford發(fā)動機

例如，陶瓷材料如硅氧碳化物（SiOC）因其耐高溫特性（約 3200 華氏度）被用于超音速發(fā)動機組件，如支柱和火焰保持器。

結(jié)構(gòu)組件
超音速火箭需要輕量化且高強度的結(jié)構(gòu)。Rocket Lab 使用 90 噸級的自動纖維放置（AFP）3D 打印機制造大型碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被認為是歷史上最大的碳復合火箭結(jié)構(gòu) 。


快速原型和測試
3D 打印技術(shù)允許快速生產(chǎn)火箭組件，例如 Rutherford 發(fā)動機的制造時間僅為 24 小時，相比傳統(tǒng)方法的數(shù)月時間大幅提升效率。這加速了超音速技術(shù)的迭代開發(fā)和測試，尤其在高頻次發(fā)射需求下。


支持超音速測試
Rocket Lab 的 HASTE 火箭不僅自身使用 3D 打印技術(shù)，還支持其他公司的 3D 打印超音速測試載荷，例如，Hypersonix 的 DART AE 測試載荷配備了 3D 打印的 SPARTAN 超燃沖壓發(fā)動機（scramjet），并由 Rocket Lab 的 HASTE 火箭發(fā)射。

HASTE 火箭具備更大的有效載荷能力（高達 700 公斤），能以超過 7.5 公里/秒的速度部署技術(shù)設備，用于測試吸氣式、滑翔式和彈道式載荷，以及從太空返回地球大氣層的技術(shù)

行業(yè)趨勢與對比

除了Rocket Lab，其他公司和研究機構(gòu)也在超音速領(lǐng)域廣泛應用3D打印：

推進系統(tǒng)： Aerojet Rocketdyne獲得了2200萬美元的合同，通過3D打印開發(fā)高超音速推進系統(tǒng)原型，專注于復雜發(fā)動機部件的制造。


△Aerojet Rocketdyne 的 RL10 火箭發(fā)動機采用 3D 打印銅推力室進行測試


引導和控制系統(tǒng)： Lockheed Martin為其新的Mako高超音速導彈3D打印關(guān)鍵部件，如引導部分和鰭片，生產(chǎn)時間縮短至傳統(tǒng)方法的十分之一，成本降低至十分之一。

△3D打印Mako 超音速導彈的零件

美國海軍也在其 Mk 104 固體火箭發(fā)動機中使用 3D 打印技術(shù)
△SM-6 missile

材料開發(fā)： 亞利桑那大學工程系使用3D打印開發(fā)高超音速導彈部件，專注于能承受高達1500-1600°C高溫的新材料，海軍研究辦公室資助120萬美元進行研究。


3D 打印技術(shù)在超音速火箭導彈中的應用涵蓋了發(fā)動機組件、結(jié)構(gòu)件制造以及快速原型和測試的支持。Rocket Lab 通過其 Rutherford 發(fā)動機和 HASTE 火箭，展示了 3D 打印在超音速測試中的關(guān)鍵作用，尤其是在美國和英國政府項目的背景下。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，3D 打印有望進一步降低成本、縮短開發(fā)周期，推動超音速技術(shù)的全球競爭。

△Electron rocket

南極熊獲悉，2024年，Rocket Lab的收入達到4.362億美元（約31億人民幣），同比增長78%；僅第四季度就貢獻了1.324億美元的收入，同比增幅高達121%。盡管全年凈虧損仍達1.902億美元，但公司持續(xù)在研發(fā)、航天器平臺和基礎(chǔ)設施方面投入巨資，顯示出對未來增長的信心。Electron火箭全年成功執(zhí)行了16次任務，成為美國發(fā)射頻率第二高的軌道火箭，僅次于SpaceX。