??8月17日12時11分，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(wèi)星入軌運行穩(wěn)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(tǒng)成功完成使用任務。

▲ 整星結構示意

來源：航天五院總體部

開啟三維點陣結構與增材制造

航天器主結構應用序幕

點陣材料是由美國普林斯頓大學的Evans教授、哈佛大學的 Hutchinson 教授等人在2000年左右共同提出的一種輕量化結構材料的概念，點陣材料與泡沫材料相比，具有微結構有序的幾何特征，可設計性更強。三維點陣材料是國際上認為最有前景的新一代先進輕質超強韌材料。

近二十年左右，隨著增材制造技術的快速發(fā)展，尤其是激光選區(qū)熔化成形技術的發(fā)展，使得具有復雜微結構的點陣材料得以高精度制備實現，材料結構一體化的設計空間得以大幅釋放。增材制造技術與結構設計技術的結合，有望促進航天器等高端裝備結構的升級換代。

為此，美國NASA等航天研究機構將類似點陣結構技術列為未來航天器結構技術優(yōu)先發(fā)展的關鍵技術之一，我國航天領域的多個重大工程專項也將結構輕量化技術作為關鍵技術之一。近五年左右，國內外學者在3D打印點陣材料的制備工藝與力學行為方面開展了大量的理論與實驗研究工作，3D打印點陣材料也被應用于航天器有效載荷支架結構等非主承力結構的設計，但尚未實現在主承力結構上的應用。

▲ 點陣結構示意

來源：航天五院總體部

千乘一號整星結構采用面向增材制造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計，整星結構通過鋁合金增材制造技術一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結構重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結構重量占比降低至15%以內，整星頻率提高至110Hz，整星結構零部件數量縮減為5件，設計及制備周期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結構。

千乘一號小衛(wèi)星結構由航天五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部負責研制。航天五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部是我國航天器空間機械產品研制的核心部門，近年來在面向3D打印的航天器輕量化結構設計與評價方面開展了大量的研究工作，突破了基于三維點陣材料的整體結構設計技術。

▲ 整星結構示意

來源：航天五院總體部

該技術團隊從2012年起開展基于三維點陣材料結構的設計方法研究，具有良好的技術儲備及研究基礎。在千乘一號小衛(wèi)星結構設計過程中采用了宏細觀一體化優(yōu)化方法等前沿技術，考慮了3D打印工藝約束與整星裝配約束，在點陣材料細觀構型與連接結構方面實現創(chuàng)新設計。目前，已將該方法也應用于衛(wèi)星整星結構、相變儲能熱控結構與有效載荷支架結構，相比傳統(tǒng)設計與制造技術，實現結構減重30%-60%，相關可公開結果發(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股份有限公司完成，該衛(wèi)星所有結構由鉑力特四光束3D打印設備BLT-S600一爐內完成打印制造，零件最小特征僅為0.5mm。零件整體輪廓尺寸大，內部輕量化點陣胞元結構尺度小，整星超過100萬個點陣特征，增材成形難度大，從穩(wěn)定性、精度、周期等指標上對打印設備及工藝能力要求極高。

首個增材制造三維點陣整星結構的順利發(fā)射，將對我國航天器結構技術發(fā)展產生重要的影響，開啟了三維點陣結構技術及增材制造技術應用于航天器主結構的序幕。結合目前三維點陣結構設計技術及金屬增材制造技術的發(fā)展現狀，千乘一號的順利發(fā)射展示了增材制造領域內國際領先的優(yōu)化設計及制備技術水平，具有標志性意義。

五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部，隸屬于中國空間技術研究院（航天五院）總體部，研制的衛(wèi)星主結構、載荷航天器主結構、大型高精度展開機構、太陽翼機構等產品達到國際一流水平，結構與機構分析及驗證等技術處于國內領先水平，是我國空間機械工程技術專業(yè)發(fā)展、技術研究、產品開發(fā)、工程研制的核心單位。