SpaceXの3Dプリントロケットエンジンを通して3Dプリントの未来を詳細に分析

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-1-19 16:02 に最後に編集されました。

現在、宇宙船製造に3Dプリント技術を使用するすべての機関や企業の中には、NASA、ESA、SpaceXなどの大手企業のほかに、新興企業のRocket Lab（RL）もあります。Antarctic Bearによると、SpaceXは2017年1月14日（現地時間）、カリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地でファルコン9ロケットの打ち上げに成功し、昨年の発射塔でのロケット爆発の影をついに一掃しました。SpaceXがロケット回収を完了した最初の企業であることは誰もが知っているでしょう。

ファルコン 9 ロケットには、高振動条件下で高圧液体酸素を正常に動作させる重要な酸化剤バルブ本体など、多数の 3D プリント部品が搭載されています。次に、SpaceX が打ち上げた Falcon 9 ロケットの 3D プリント技術と、NASA と協力している Marshall Space Flight Center、Aerojet Rocketdyne、Rocket Lab などの他の航空宇宙大手数社の 3D プリントロケットエンジンの計画を組み合わせ、この分野における 3D プリントの展望について考察します。

画像: SpaceX 3D プリント酸化剤バルブ本体

従来の鋳造品と比較して、3D プリントされたバルブ本体は、優れた強度、延性、耐破損性を備えています。通常の鋳造サイクルは数か月かかりますが、3D プリントされたバルブ本体は 2 日で完成しました。

設計は迅速に反復されるプロセスであり、SpaceX に時間の節約と設計の迅速な最適化という優れた利便性を提供します。 3D Science Valley は、後処理された 3D プリントバルブ本体が、Falcon 9 ロケットの標準部品に組み込まれる前に、厳格なエンジン点火シリーズ、コンポーネントレベルの認定テスト、材料テストを含む広範なテストプログラムを受けたことを知りました。

SpaceXは、ファルコン9ロケットに加え、2013年にニッケルクロム高温合金材料を使用して、EOS金属3Dプリンターでスーパードラコロケットのエンジン室を製造することに成功しました。従来のエンジン製造技術と比較して、積層造形法を使用すると、ロケットエンジンの納期を大幅に短縮し、製造コストを削減できるだけでなく、「高強度、延性、耐破壊性、材料のばらつきが少ない」などの優れた特性も実現できます。これは非常に複雑なエンジンで、製造が難しい冷却通路、インジェクター、スロットルシステムがすべて備わっています。非常に高強度の先進合金を印刷できる EOS の能力は、SuperDraco エンジンの開発の鍵となりました。

3Dプリントによって物議を醸したムーン・エクスプレス・ミッションが可能になり、カリフォルニアに拠点を置く商業航空宇宙会社ムーン・エクスプレスは2017年にロケットを月に送る準備を進めている。ムーン・エクスプレスが使用した3Dプリントエンジンは、ロサンゼルスに拠点を置く企業、ロケット・ラボが提供した。

エンジンの主要部品は、スウェーデンの Arcam 社の設備で製造されています (Arcam 社は GE 社に買収されています)。5,000 ポンドの Rutherford エンジンの主要部品は、ほぼすべて 3D プリントされていると報告されています。このエンジンは、電気推進サイクルを採用しています。スラストチャンバー、バルブ本体、ノズル、ターボポンプはすべて、Arcam の電子ビーム溶融チタン合金技術を使用して印刷されます。リチウムポリマー電池を使用してブラシレス DC モーターを駆動し、液体酸素と灯油を燃焼室に送ります。

ロケット・ラボは、打ち上げコストを1回あたり平均490万ドルまで削減できると考えている。これは2億2500万ドルの打ち上げ価格よりも大幅に安く、SpaceXの6200万ドルの料金は宇宙コストを大幅に削減したと考えられている。

AR1 ロケットエンジン用の単一要素メイン燃料インジェクターは、すべて 3D プリンターを使用して製造されました。 AR1は、米国がロシアのRD-180エンジンの代替として利用することを望んでいる、開発中の推力50万ポンドの液体酸素/灯油エンジンである。 2015 年の米国国防権限法の規定により、米国の国家安全保障上の理由によります。 2019年までに、米国製の代替エンジンがロシアのRD-180エンジンを完全に置き換え、ロケット打ち上げに使用できるようになると予想されている。

インジェクターは選択的レーザー溶融法（SLM）技術を使用して製造されました。この技術は、3D プリントによって、従来の製造技術の数分の 1 のコストで複雑なエンジン部品を迅速に製造できることが実証されています。メインインジェクターだけでも、3D プリントにより部品のリードタイムが 9 か月短縮され、コストが 70 パーセント削減されました。

NASA マーシャル宇宙飛行センター

最も注目すべき宇宙探査ミッションの多くを遂行してきた NASA のマーシャル宇宙飛行センターは、20 年以上にわたって積層造形に携わっており、コンセプトレーザーの機器を 5 年以上にわたって導入し、使用してきました。

図: 推進装置の開発における積層造形の並行パス
NASAは2012年にAMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine積層造形検証機プログラムを立ち上げました。その理由は、NASAが3Dプリンティングが液体水素ロケットエンジンの製造に大きな可能性を秘めていると信じていたためだと報じられています。チームは3年以内に、積層造形法を使用して100個以上の部品を製造し、3Dプリントを使用して完成できるエンジンのプロトタイプを設計しました。 3D プリントでは部品数を 80% 削減でき、必要な溶接は 30 箇所だけです。

図：3Dプリントエンジン部品は部品点数を大幅に削減

3年間の探査期間中、総額1,000万ドルが費やされ、投入された人員は過去の投資額の20～25%に過ぎなかった。もちろん、NASA が積層造形に力を入れているのは、資金と人員の節約だけが理由ではありません。積層造形により、設計の反復が非常に速くなります。NASA はこの変化を Concurrent という言葉で表現しています。

以前、NASA は従来の方法で製造されたシャフトとハブが不適格であるという状況に遭遇しました。従来の方法ではやり直すことは不可能でしたが、3D プリントにより、2 か月以内に新しい設計の反復が完了しました。 3D プリントは部品の数を減らして反復を高速化するだけでなく、部品の性能も向上させ、最終的なエンジン製品をよりコンパクトで効率的なものにします。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
速報：3D プリントロケットエレクトロンが宇宙で画期的な成果を達成しようとしています。ロケットラボの3Dプリントロケットエンジンが最終点火テストに合格

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