外で下着として着用できるエアロスパイクの小型ロケットエンジンは、どうやって3Dプリントで実現できるのか？

オーストラリアのモナッシュ大学の博士課程の学生で、Amaero プロジェクトのメンバーでもあるマーテン・ユルグ氏は、積層造形によってもたらされる設計の自由度が、エアロスパイクエンジンに必要な技術的進歩の達成に役立つ可能性があると語った。エアロスパイクエンジンは、広範囲の高度にわたって空気力学的効率を維持するロケットエンジンです。これは高度補正ノズルエンジンのカテゴリに属します。エアロスパイクエンジンを搭載したロケットは、ほとんどのミッションで推力が最大限に要求される低高度では、25～30%多く燃料を使用します。

画像: エアロスパイクと従来のエンジンの設計上の違い
Aerospike の排気マニホールドの設計は、基本的に従来のベルロケットとは逆です。現在スペースシャトルで使用されている従来のベル型ロケットの推力は徐々に減少します。点火時に最も効率的で、ロケットが上昇するにつれて弱まり始めます。エアロスパイクの構造設計コンセプトにより、ロケットが地面を離れた後も推力を維持することができます。

画像: エアロスパイクノズル (右) と従来のエンジンノズルの違い
エアロスパイクエンジンは長年にわたって開発が進められており、多くの単段式軌道投入 (SSTO) 設計のベンチマークエンジンであり、スペースシャトルの主エンジンの有力候補となっています。 XRS-2200 エアロスパイクエンジンは、もともとボーイングのロケットダインプロパルジョンアンドパワーカンパニーによって開発され、組み立てられました。このエンジンはX-33に動力を与えます。 X-33 はロッキード・マーティンが提案する商業用再使用型打ち上げロケットです。しかし、1996年からNASAがベンチャースター計画を正式に中止した2001年まで、エアロスパイクエンジンは高く評価されていたが、その後は人気がなくなった。2001年3月にNASAが計画を正式に無効と宣言した時点で、NASAは10億ドル近くを費やし、ロッキード・マーティンとその他のパートナーは3億5,700万ドルを拠出していた。

エアロスパイク構造は、従来の製造技術では構築が困難です。3D 印刷技術では、機械加工によって干渉が生じやすい領域を含む複雑な幾何学的形状を作成できますが、3D 印刷技術を使用すると、これらの形状を効果的に解決できます。

Amaero チームは、当初から積層造形の概念に基づいて航空宇宙エンジンを設計しました。チームが EOS M280 での加工にハステロイ X (高強度ニッケルベースの高温合金) 材料を使用した際、ビルドキャビティサイズの制約、部品サイズ、材料特性、部品設計の角度、厚さ、レイアウトなどの重要なパラメータが考慮されました。これらのパラメータの設定は、選択的レーザー溶融技術を使用して高温合金を加工してきたチームの長年の経験に基づいています。

Amaero チームは、ハステロイの機械加工の経験を活かして、何が可能で何が不可能かを理解しています。 Amaero チームは、流体エンジニアとコミュニケーションをとることで、積層造形に適した構築性を維持しながら、主要なパフォーマンス基準を満たす形状と機能を迅速に反復して作成することができました。エンジンの3室設計、短縮されたエアプラグ、冷却構成など、全体の設計コンセプトは価値実現を中心に完成されています。

コンフォーマル冷却チャネルは、Amaero の空気圧装置の特別な設計であり、従来の方法では製造が不可能です。コンフォーマル冷却、インジェクターマニホールド、高温シールの排除 (燃焼室を一体化することにより)、流体の流路と制御メカニズムなどの機能はすべて、付加製造を特徴としています。特定の局所的な熱流束に対応するためにサイズと方向を継続的に変更する個々の冷却チャネルは、故障のない継続的なエンジン動作を保証するために重要です。従来の製造方法では、冷却パイプを溶接することもあります。しかし、渦管と管体が曲がるため、パイプの幅を連続的に変更する必要があり、従来の製造方法では非常に困難です。

画像: コンフォーマル冷却を備えた設計 Amaero のエンジンプロトタイプは完成までに数か月しかかからなかったため、Amaero チームには設計アプローチを根本的に再考する機会がありました。これを実現するために、彼らは、設計の基本的な側面を迅速に反復し、新しい設計ソリューションに迅速に収束できるようにする計算ツールを作成しました。並列設計手法と統合構造実装により、設計反復時間を大幅に短縮しながら、製品の全体的なパフォーマンスを向上させることができます。

Amaero の Aerospike エンジンを開発したチームは、その研究をさらに進め、推進技術の将来の応用に焦点を当てるために NextAero という新しいベンチャーを設立しました。一方、ユルグ氏は、アマエロはエアロスパイクを使って「積層造形プロセスを理解していない人々に、積層造形の可能性と、AMデザイナーと協力することでより高性能な製品を作る方法を示す」と語った。

つい先週、Amaero プロジェクトの元責任者であり、オーストラリア工学アカデミーの会員でもある Wu Xinhua 氏が上海科学技術大学に正式に採用されたことは特筆に値します。呉院士、オーストラリア科学工程院院士で中国工程院外国人院士の于愛兵、米国科学院院士のロドニー・R・ボイヤー、米国工学院院士のジェームズ・C・ウィリアムズの各氏は、上海理工大学から上海理工大学の「国際付加製造研究室」の所長と指導リーダーにそれぞれ任命された。

もちろん、これはベンチャースター計画が復活できることを意味するものではない。コンセプトプロトタイプと実際のロケットエンジンのサイズには依然として大きな差がある。しかし、積層造形が大規模処理へと進むにつれ、VentureStar プログラムが復活する日が来るかもしれません。

3Dサイエンスバレーの市場調査によると、モナッシュ大学は航空宇宙積層造形の分野で長年の経験を持っています。同大学の科学研究チームと大学の技術を産業化する企業であるアマエロは、フランスの航空宇宙企業サフラングループと協力して2つの3Dプリントジェットエンジンを開発し、現在は商業化段階に入っています。

航空機エンジンの積層造形に関する研究に加えて、モナッシュ大学と Amaero チームは、Betatype と協力して、Betatype のラティスモデリングソフトウェアプラットフォーム Engine-Platform を使用してロケットエンジン用の軽量部品の開発にも取り組んでいます。

画像: EOS M280 で印刷されたロケットエンジン軽量部品のコンセプトプロトタイプ。画像提供: Betatype
研究プロジェクトの最終年度に、モナッシュ大学のチームは、3D プリントの特性を具体化した一連の概念的なロケット部品を開発しました。その 1 つは、ロケット壁内に適合冷却サンドイッチ構造を備えた軽量部品です。

構造の設計は非常に重要であるため、モナッシュ大学のチームは、部品のマイクロ格子構造を指定するための独自のスクリプトを開発しました。Engine-Platform ソフトウェアのオープン Arch 形式により、研究チームはグリッド構造の作成によって生成される大量のデータを回避することができました。ソフトウェア内の抽象アルゴリズムにより、CAD モデルデータの複雑さが大幅に軽減され、モデルデータの管理が容易になります。

軽量構造部品を設計する際には、部品全体の機能実現を組み合わせ、隙間精度、空隙率、隙間形状、隙間サイズ、気孔分布、接続性などの要素を総合的に考慮する必要があります。軽量構造部品は、基本構造、外観構造、超軽量構造で構成されており、このプロセスで設計能力のレベルが反映されます。

国内外の金属3Dプリント企業の中でも、イギリスのレニショーや西安ポリライトなどの金属3Dプリント企業も、積層造形による軽量構造の探究を幅広く行っています。例えば、ポリライトは中空中間層、薄壁補強、中空格子、機能統合という4つの典型的な軽量構造を研究しており、軽量構造と金属3Dプリント装置の設計を通じて、航空宇宙、自動車などの機械の軽量部品の製造にソリューションを提供しています。設計ソフトウェアの分野では、Altair の solidThinking Inspire トポロジー最適化ソフトウェアも、軽量 3D プリント部品の設計に広く使用されています。

出典: 3Dサイエンスバレー

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