??8月17日12時(shí)11分，捷龍一號(hào)遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火起飛，以“一箭三星”的方式將“千乘一號(hào)01星”衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。

千乘一號(hào)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)是目前國際首個(gè)基于3D打印點(diǎn)陣材料的整星結(jié)構(gòu)，千乘一號(hào)衛(wèi)星入軌運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著用于航天器主承力結(jié)構(gòu)的3D打印三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度達(dá)到九級(jí)，即實(shí)際系統(tǒng)成功完成使用任務(wù)。

▲ 整星結(jié)構(gòu)示意

來源：航天五院總體部

開啟三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與增材制造

航天器主結(jié)構(gòu)應(yīng)用序幕

點(diǎn)陣材料是由美國普林斯頓大學(xué)的Evans教授、哈佛大學(xué)的 Hutchinson 教授等人在2000年左右共同提出的一種輕量化結(jié)構(gòu)材料的概念，點(diǎn)陣材料與泡沫材料相比，具有微結(jié)構(gòu)有序的幾何特征，可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)。三維點(diǎn)陣材料是國際上認(rèn)為最有前景的新一代先進(jìn)輕質(zhì)超強(qiáng)韌材料。

近二十年左右，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的發(fā)展，使得具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣材料得以高精度制備實(shí)現(xiàn)，材料結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)空間得以大幅釋放。增材制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合，有望促進(jìn)航天器等高端裝備結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代。

為此，美國NASA等航天研究機(jī)構(gòu)將類似點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)列為未來航天器結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，我國航天領(lǐng)域的多個(gè)重大工程專項(xiàng)也將結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一。近五年左右，國內(nèi)外學(xué)者在3D打印點(diǎn)陣材料的制備工藝與力學(xué)行為方面開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，3D打印點(diǎn)陣材料也被應(yīng)用于航天器有效載荷支架結(jié)構(gòu)等非主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但尚未實(shí)現(xiàn)在主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。

▲ 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意

來源：航天五院總體部

千乘一號(hào)整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號(hào)微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計(jì)及制備周期縮短至1個(gè)月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

千乘一號(hào)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)由航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)研制。航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部是我國航天器空間機(jī)械產(chǎn)品研制的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方面開展了大量的研究工作，突破了基于三維點(diǎn)陣材料的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

▲ 整星結(jié)構(gòu)示意

來源：航天五院總體部

該技術(shù)團(tuán)隊(duì)從2012年起開展基于三維點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究，具有良好的技術(shù)儲(chǔ)備及研究基礎(chǔ)。在千乘一號(hào)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用了宏細(xì)觀一體化優(yōu)化方法等前沿技術(shù)，考慮了3D打印工藝約束與整星裝配約束，在點(diǎn)陣材料細(xì)觀構(gòu)型與連接結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，已將該方法也應(yīng)用于衛(wèi)星整星結(jié)構(gòu)、相變儲(chǔ)能熱控結(jié)構(gòu)與有效載荷支架結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重30%-60%，相關(guān)可公開結(jié)果發(fā)表在AIAA Journal和Chinese Journal of Aeronautics。

整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束3D打印設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內(nèi)部輕量化點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)尺度小，整星超過100萬個(gè)點(diǎn)陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標(biāo)上對(duì)打印設(shè)備及工藝能力要求極高。

首個(gè)增材制造三維點(diǎn)陣整星結(jié)構(gòu)的順利發(fā)射，將對(duì)我國航天器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，開啟了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)技術(shù)及增材制造技術(shù)應(yīng)用于航天器主結(jié)構(gòu)的序幕。結(jié)合目前三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，千乘一號(hào)的順利發(fā)射展示了增材制造領(lǐng)域內(nèi)國際領(lǐng)先的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備技術(shù)水平，具有標(biāo)志性意義。

五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部，隸屬于中國空間技術(shù)研究院（航天五院）總體部，研制的衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)、載荷航天器主結(jié)構(gòu)、大型高精度展開機(jī)構(gòu)、太陽翼機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品達(dá)到國際一流水平，結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分析及驗(yàn)證等技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，是我國空間機(jī)械工程技術(shù)專業(yè)發(fā)展、技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、工程研制的核心單位。