60 日間で全金属製の 3D プリントロケットを製作。Relativity は SpaceX を倒せるか?

2019年10月、アンタークティック・ベアは、米国のロケット業界の新興企業であるレラティビティ社が、ロケット全体を3Dプリントして宇宙に送り出すという一見クレイジーな宇宙構想を推進するために1億4000万ドルの投資を受けたことに気づいた。 SpaceXやBlue Originなどの企業が再利用可能なロケットに投資する中、Relativity Spaceは、すべての部品を3Dプリントし、プロセス全体を自動化しないのはなぜかと疑問を抱いています。

Relativity Spaceは4年前にシアトルで設立され、現在はロサンゼルスに本社を置いていると報じられている。同社は1990年代生まれの2人のロケットエンジニアによって設立された。CEOのティム・エリスはブルーオリジンでスラスターと3Dプリントの研究開発に携わり、最高技術責任者のジョーダン・ヌーンはブルーオリジンでインターンとして働き、その後スペースXで推進開発エンジニアとして働いた。
△全金属3Dプリントロケット

実際、エリス氏が3Dプリントロケットのアイデアを初めて思いついたのは、ブルーオリジンで働いていたときだった。彼は、宇宙産業の未来は、打ち上げロケット全体の再利用ではなく、3D プリントにあると信じている。「ロケット会社を立ち上げるのは難しく、3Dプリント会社を立ち上げるのも難しい。そして、両方の会社を同時に立ち上げるのはさらに難しい。金属3Dプリント技術を開発しない限り、ロケットを打ち上げることはできないだろう」とエリス氏は語った。

△金属3DプリンターSTARGATE 「スターゲイト」工場

現在、レラティビティ・スペース社はロサンゼルスの工場でロケット部品を製造しており、世界最大の3D金属プリンター「スターゲイト」を製造している。部屋ほどの大きさのスターゲートは、材料貯蔵庫の近くに設置された電子制御システム、熱画像カメラ、センサーを組み合わせて、より強くて信頼性の高い合金で作られたロケットを印刷します。さらに、当社には社内に冶金および材料特性評価研究所があります。

△ Relativity Space HQ のスターゲイト金属 3D プリンター

Relativity Space が設計した完全に 3D プリントされたエンジンは Aeon 1 と呼ばれ、推進剤として液体酸素とメタンを使用します。 Aeon 1 エンジンの最も顕著な特徴はそのシンプルさです。エンジンの燃焼室、点火装置、ターボポンプ、反応スラスタ、車両加圧システムの部品数を削減することで、ほとんどのロケットエンジンが通常数千個の部品で構成されるのに対し、Aeon 1 エンジンには約 100 個の部品しか含まれていません。エンジンは60日以内に印刷できると言われています。同社は、ミシシッピ州にあるNASAのステニス宇宙センターで、イオン1ロケットエンジンの高温テストを200回以上実施したと発表した。

△3DプリントされたRelativity Space Aeonエンジン点火装置

全金属3Dプリントロケット技術の利点

レラティビティ社は、数年以内にスターゲイト工場で世界初の完全3Dプリントロケット「テラン」を60日間で印刷できるようになると主張している。 Stargate の特許技術により、まったく新しいバリューチェーンと革新的な構造設計が可能になります。 Stargate は、Terran 1 ロケットの設計、製造、品質、速度を改善し、次のような利点をもたらします。

固定具ゼロ、部品点数削減
設計の反復と部品の最適化を高速化
リアルタイムの品質管理と部品検査、3Dプリント中およびプリント後に部品をチェックして、均一性と品質の最高基準を満たしていることを確認します。
センサーと分析に基づく機械学習
Relativityは、ミッションクリティカルなパフォーマンス要件を満たすために、3Dプリント用に特別に設計された独自の合金をいくつか開発しました。

Relativity 社は、一般的に言えば、ロケットはペイロード、誘導、推進、構造という 4 つの主要システムで構成されていると考えています。同社は60年にわたり、大規模な工場、固定工具、複雑なサプライチェーン、そして多くの手作業に頼り、2年以上かけて10万点以上の部品を使った高価なロケットを製造してきた。

金属3Dプリント技術が新しいロケット製造モデルに貢献

Relativity 社は、インテリジェントロボット、ソフトウェア、データ駆動型 3D 印刷技術を垂直統合し、ロケット製造を自動化する初の航空宇宙プラットフォームである Stargate 工場を建設しました。

スターゲイト工場には、世界最大の金属 3D プリンターと AI 駆動型制御が導入されており、生産を継続的に最適化することで、品質と時間を大幅に改善し、コストを削減し、これまで不可能だった製品設計の製造を可能にしています。ロケットの部品の95％は同社自身で印刷することができ、ケーブル、チップ、ゴム部品のわずか5％を外部から購入します。

完全 3D プリントロケットを採用した最初の企業として、Terran 1 はRelativity の最初の応用製品です。 20年後には、スターゲイト工場は航空宇宙産業全体に拡大するでしょう。

△まったく新しいバリューチェーン：3Dプリント専用の部品を設計→適切な原材料を選択→金属3Dプリント→低コストで高効率なロケット製造目標を達成

△スターゲイト専用に設計された高強度合金線。ミッションクリティカルな構造要件を満たすように設計された物理的特性、新しい合金の開発を迅速に繰り返すための社内材料特性評価ラボ。

△ インテリジェント制御、リアルタイムの品質管理と部品検査、インテリジェントなデータ駆動型製造、機械学習制御アルゴリズム、統合された付加的および減算的金属 3D 印刷により、複雑な幾何学的形状を実現できます。

△センサーと分析、自動化ロボットと経路計画、製造プロセス中の検証と確認データの取得、柔軟で拡張性の高いシステムアーキテクチャ、クラウドベースの製造シミュレーションとトレーニング

全金属 3D プリントロケット Terran 1 の性能データ
テラン 1 は、Relativity 社によって米国で設計および製造され、将来の衛星群の展開と補給のために設計された真の次世代打ち上げロケットです。その画期的でユニークなアーキテクチャは、市場で最も機敏で手頃な打ち上げサービスを提供しながら、衛星顧客の進化するニーズを満たすように設計されています。

最大ペイロード：低軌道185kmまで1,250kg 、太陽同期軌道500kmまで900kg、1200kmまで700kg

第 1 段には 9 基の Aeon 1 エンジンが搭載され、第 2 段には再起動可能な 1 基の Aeon Vac エンジンが搭載されています。
推力:エンジン 1 基あたり 19,500 lbf-vac、低軌道では合計 175,500 lbf-vac 、太陽同期軌道では22,500 lbf-vac

国民の疑問
レラティビティ・スペースは約1,250キログラムの貨物を軌道上に打ち上げることを目指しているが、これはスペースXのファルコン・ヘビーロケットの64トンの積載量に比べると50倍以上も重い。そのため、スペースXと競争するのではなく、より小型の衛星を低地球軌道に送ることに注力している。現在、宇宙市場における最小のロケットは、150kgのペイロードしか運べない。

レラティビティ・スペースの懐疑論者や反対論者は、航空宇宙産業は他の産業ほど急速には変化していないと言っているが、それには十分な理由がある。ロケットは製造に莫大な費用がかかり、爆発し、時には人命を危険にさらすからだ。

ロケットラボのベイカー氏は、ロケット部品の 3D プリントも検討しているが、「3D プリントはコストがかかり、時間がかかることもある」と考えている。さらに、多くの場合、「魅力的なものを初めて作ったと発表する」ことは、小規模なスタートアップ企業にとって PR 活動に過ぎない。