金属增材制造技术是采用金属材料堆积叠加的方法制造三维实体的技术,所具有的性能优势和商业化能力,使其在航空航天领域的应用得以迅速发展。金属增材制造在航空航天领域的基本优势包括：显著降低成本和生产周期、新型材料和独特的设计解决方案、通过高效和轻量化设计可减轻部件的质量、通过整合各组件可以提高结构性能等。金属增材制造正被大规模商用于一系列备受关注的航空航天应用场景中,如液体燃料火箭发动机、推进剂储罐、航空部件、涡轮机和设备的维保。本文通过回顾航空航天领域中的金属增材制造,概述了当前的技术水平,总结了金属增材制造的主要应用场景,以及相关的商业和技术价值,并对未来金属增材制造的发展潜力和趋势进行了展望。

“十四五”期间及后续星座卫星的发展,对结构轻量化的需求日益强烈,同时还要求降低制造成本、缩短研制周期。3D打印技术具有提供结构极致轻量化的能力,卫星结构采用轻量化设计及3D打印技术,可实现减重30%~60%,但目前主要用于单件或数件研制的场景。星座卫星的最新发展要求其结构质量占比进一步降低,年度轻量化结构任务数量约数千件,现有的制造能力与批量化任务需求之间的矛盾凸显。因此,本文面向未来星座卫星结构极致轻量化、低成本、短周期研制需求,在总结国内外3D打印批量生产发展现状基础上,提出了星座卫星3D打印在主承力结构、次承力结构及功能结构,以及平台载荷一体化研制等3个方面的主要应用,并从规模化产业基地建设、工艺快速设计、组批排产、自动化后处理、高效检测等方面,提出了航天领域3D打印批量生产的发展思路,对提升面向航天轻量化结构的3D打印批量生产能力具有借鉴意义。

近年来,增材制造技术发展快速,引起了各国对该技术促使制造成本急剧下降的高度关注。日本一直致力于可用于火箭发动机部件生产的增材制造能力研发。基于成功的试验结果和经验,日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和三菱重工公司围绕由增材制造技术制得的部件在LE-9氢氧发动机研制中的应用进行了深入研究。本文介绍了LE-9氢氧发动机零部件增材制造设备的选用、零部件增材制造的基本要求和质量控制方法,以及发动机增材制造零部件的冶金性能等,梳理了LE-9发动机工程样机各部件增材制造的发展现状和开发情况,以及鉴定模型样机增材制造零部件的应用和发展规划,尤其是用于工程样机和鉴定模型样机全尺寸喷注器的各种增材制造部件的质量管理开发计划,以期为国内相关研究提供借鉴和参考。

针对增材制造技术在液体火箭发动机推力室的应用和研究现状,本文分别综述了推力室常用增材制造技术及其在推力室喷注器、燃烧室和喷管中的应用研究,展望了增材制造技术在推力室研制中的发展方向,指出了增材制造技术在推力室应用中面临的挑战,通过分析这些挑战以期促进增材制造在推力室方面更广泛更深入的应用。

铜合金具有良好的导热/导电性、耐蚀性和优异的加工性,在火箭发动机再生冷却燃烧室、热交换器等领域有着广泛的应用。增材制造技术以其近净成形的优势,可实现传统加工方式难以实现的流道、薄壁等复杂结构件的成形,进一步推动铜合金在航天领域的应用。通过概括梳理增材制造铜合金的微观组织、性能特点,总结了增材制造铜合金在航天领域的最新应用进展。

本文提出了一种电磁隐身—水下隔声—超疏水减阻一体化超材料结构,用于跨介质飞行器蒙皮结构,可以实现空中隐身、水下降噪、水下减阻等多种功能和超材料结构的小型化和轻量化。所设计的旋转堆叠金字塔吸波器有效扩展了电磁波吸收带宽,斜蜂窝五模材料在实现高效隔离水下声波的同时,还具备较高的结构强度,可作为电磁超材料的基板。在电磁超材料的基础上,通过使用增材制造和超声空化技术,形成了不同微纳尺度的各向异性表面超疏水结构,减小了水下阻力,实现了流动控制。该一体化超结构材料在跨介质飞行器结构设计领域具有广阔的应用前景。