大家都在谈论的航空航天都有哪四大产业?

国际金属加工网 2018年06月08日

引言

大航海时代是人类文明进程中最重要的历史之一。是15世纪末到16世纪初,由欧洲人开辟横渡大西洋到达美洲、绕道非洲南端到达印度的新航线以及第一次环球航行的成功。

现在有人说,一个伟大的大航天时代正在到来。而这个大航天时代和过去的大航海时代一样,对人类发展的意义都是巨大的。

航空航天和国防工业是直接受益于3D打印技术发展的行业之一,也是3D打印技术的主要应用市场。美国通用电气集团(GE Aviation)从2016年起生产了第一个3D打印组件——燃油喷嘴。这在3D打印航天史上是一件轰动性的大事件。

GE利用3D打印技术生产的燃油喷嘴(图片来源:GE Aviation)

高科技让人兴奋,尤其是太空探索让人敬仰。接下来一周我们会从行业概述、历史沿线、产业链、应用市场等多个角度,为你揭开航空航天的神秘面纱,看看有些遥不可及的航空航天,都隐藏着怎样的魅力。

航空航天包含了哪些产业?

一说到航天产业,我们知道我们国家有长征系列火箭,神州宇宙飞船,天宫空间站。不过这些都是由国家主导的产业,不是一个纯商业的市场。在美国,航空航天主要由私人企业主导。

目前来看,航空航天产业的规模还比较小,是一个三四百亿美元的市场。有专家预测,只需要十年左右的时间,航天产业将会实现10倍的增长,在2030年左右形成一个至少五千亿美元的巨大市场。

目前航天产业主要有四大市场。

1. 运载火箭

中国的长征2型运载火箭,在全球非常有影响力。而在美国,私人航天领域的运载火箭正在迅速崛起。其中以Elon Musk带领的Space X为代表,跟中国的长征2型一样是重载火箭。SpaceX公司是全球私人航空航天领域的领先者。2016年4月8日,SpaceX火箭第一次实现了发射火箭的海上垂直回收任务。

SpaceX火箭实现了海上垂直回收任务

亚马逊的创始人杰夫·贝佐斯投资了一家私人航空公司BlueOrigin,以研发中小型火箭为主。

BlueOrigin研发的火箭

现在火箭的发射能力,要把1公斤的货物送到地球轨道上,大概需要花2万美元的成本;运送1吨货物上天就需要2000万美元,成本还是相当高的。SpaceX计划把发射成本从1公斤2万美元直接降到它的1/10,也就是1公斤只需要2000美元。实现成本控制的因素之一,就是3D打印技术。

SpaceX火箭上含有大量的3D打印零件,包括关键的氧化剂阀体。与传统铸造件相比,3D打印阀体具有优异的强度、延展性和抗断裂性。并且与典型铸件周期以月来计算相比,3D打印阀体在两天内就完成了。

SpaceX 3D打印的氧化剂阀体

此外,SpaceX于2013年就成功通过EOS金属3D打印机制造SuperDraco火箭发动机引擎室,使用了镍铬高温合金材料。这是一种非常复杂的发动机,其中所有的冷却通道、喷油头和节流系统都很难制造。EOS能够打印非常高强度的先进合金,是创造SuperDraco发动机的关键。

SpaceX公司利用SLM技术制造的载人飞船引擎

2. 航天飞机

航天飞机领域最著名的两个公司:

一家是Virgin Galactic,由维京唱片公司的老板查理德·布兰森投资。理德·布兰森对航空航天产业相当乐观,早早地就开始售卖访问太空的私人宇航票,一张票25万美元,据说他们在全球已经卖出去好多张了。但是这些买到票的人还不知道什么时候能够真正开始自己的太空旅行。

Virgin Galactic研发的航天飞机效果图

另一家是XCOR。XCOR的创始人是当年英特尔公司奔腾芯片的主设计工程师,工作经历以及设计成就带来的个人财富,使他决定放弃养老,改去实现童年飞向太空的梦想。

XCOR LYNX MARK I 型航天飞机

火箭和航天飞机是解决运载问题,到天上以后需要一个接待站。因此就有了空间站。

3. 空间站

在空间站领域最出色的是Bigelow Aerospace。其创始人Bigelow希望把酒店开到天上去,所以就研发了胶囊型空间站,把所有需要的功能一次性安装好,装到一个可收缩的空间站里,然后用火箭发射到天上,到预订轨道打开。

Bigelow Aerospace

为了更快速地为宇航员补给物质以及进行科学实验,早在2014年,美国宇航局NASA就将首台太空3D打印机“增材制造工厂”送到了国际空间站。因为从地面上向太空运送物资不但成本惊人的高,而且必须要等到合适的时间才可以,而3D打印机能够实现直接制造,极大地降低了成本。太空中的3D打印机是由Made In Space(MIS)研制的,他们的最终计划是在太空中3D打印出整颗卫星。

全球首台太空3D打印机

4. 小卫星

之前提到的火箭发射是为了运货物上天,而这个货物大部分就是卫星。现在的卫星主要还是各国政府投资建造,一般都是成吨重。但随着私人商业机构在卫星领域的创新与突破,小卫星一年可以发射几百颗,卫星的各种应用会得到极大的丰富,成本大幅度降低。

小卫星使用了几年之后就会落回大气层,并在大气层完全焚毁。正式因为这样,每过几年整个太空中的小卫星就可以换一批,所以这个市场可以持续不断地更新。

2017年8月17日,俄罗斯宇航员从国际空间站手动发射了迷你卫星。其中一颗卫星TomskTPU-120的生产采用了3D打印技术,是俄罗斯首款3D打印卫星,也是世界第一颗几乎全部采用3D打印的卫星。

俄罗斯首款3D打印卫星

欧洲航天局(ESA)在今年推出了一个用PEEK材料来3D打印立方体卫星主体的计划。PEEK是一种热塑性塑料,在强度、稳定性和耐温性方面具有非常好的固有性能,熔点在370℃左右,甚至可以替代某些金属部件。3D打印PEEK微型卫星不仅能在太空中航行,其本身也有极强的功能性。

未来地球轨道上可能会分布上千颗小卫星,这些小卫星是可靠大数据主要来源,比如说红外数据、视频数据、探测数据等等,卫星正像当初的计算机一样,从大型化向微型化迅速转移。无论是大数据还是人工智能,都可以借助卫星数据做很多事情。在小卫星的各种应用里,最重要的是“太空互联网”,这是伴随着无人驾驶出现的,主要是为无人驾驶的汽车和飞机提供精度更高的导航。在2030年,会成为一个超过千亿级的卫星通讯市场。

今天主要说的是三点内容:

1.大航天时代带来的是一个蓬勃向上的产业,十年左右的时间,航天产业将会实现10倍以上的增长。

2.中国的航空航天是由国家主导,不是一个纯商业市场。在美国,航空航天主要由私人企业主导。

3.航空航天主要市场包括运载火箭、航天飞机、空间站和小卫星。随着人工智能、3D打印等新兴技术的突破,大航天时代的到来,将会使它们获得巨大的扩张。


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