マスク氏：スペースXは世界最先端の金属3Dプリント技術を有し、ラプター3ロケットエンジンは推力280トンに大幅にアップグレードされた

2024年8月5日、南極熊は、米国の航空宇宙企業SpaceXが最近、ロケット推進技術の最新の進歩を発表したことを知りました。最初の第3世代Raptor 3（海面バージョン）ロケットエンジンが出荷されました。このニュースは、Raptor 3エンジンが正式に量産段階に入ったことも示しています。アップグレードされた Raptor 3 エンジンの具体的なパラメータは次のとおりです。

推力: 280トン
比推力: 350秒
エンジン質量: 1525kg
エンジン+車両側アクセサリおよびハードウェア重量: 1720kg

Metal 3D テクノロジーにより、Raptor エンジンの軽量化が実現 ラプター3の写真だけを見ても何も感じないかもしれませんが、その前身であるラプター2、あるいは初代ラプター1と比較すると、ラプター3の構造はより簡素化され、本来は外側に絡まっていた大量のパイプが消えていることがはっきりとわかります（下の写真参照） 。ラプター3がこのような驚くべき変化を遂げることができた主な理由は2つあります。第一に、初期のロケットエンジンの設計は成熟には程遠く、多くのパイプラインに必要な直径、長さ、接続ポイント、材料などを1つずつ実験してテストする必要があったため、それらを外部に公開することでエンジニアが調整や交換を行うことができました。一方、初期のラプターには、実はエンジン内部からさまざまな情報を収集するための外部センサーが多数搭載されていたため、これに関連するパイプラインもいくつかありました。
△ラプターシリーズ1～3世代エンジンの比較最新世代のラプター3では、基本的にすべての関連テストとデータ収集が完了しています。そこで、 SpaceXは金属3Dプリント技術を使用して多数のパイプをエンジンに統合し、きれいで整ったエンジンケースだけを残しました。もちろん、これは単に生産を簡素化し、コストを削減するだけではありません。露出したパイプラインの数を減らすことで、 Raptor3 は特別な熱シールドを必要としなくなり、熱シールドによってもたらされる追加の複雑さや消火の問題を回避することもできます。

△ラプター3の部品は壁に多数のパイプラインが一体化しており、内部には二次流路と冷却構造が一体化している。スペースXが提供したデータによると、ラプター3（海面バージョン）1機の推力は280トン、比推力は350秒であるが、エンジン自体の重量はわずか1,525kgである。ロケットに必要な部品を加えると、総重量は1,720kgになる。比較すると、前世代のラプター2の推力は230トン、比推力は347秒、エンジン重量は1,630kg、総重量は2,875kgです。先進的な金属3Dプリント技術の採用により、ラプター3の重量は7%軽減され、推力はラプター2に比べて21%、第1世代のラプターに比べて51%増加しました。これらの数字だけを見ると、明らかな差があることがわかります。特に、スターシップのスーパーヘビー下段ロケットには、最大 33 基のラプターエンジンが搭載されています。エンジン 1 基あたり 1.1 トンの軽量化が図れるとすれば、総重量はかなりのものです。
△ラプター3エンジンは見た目が極めてシンプルです<br /> 最近のニュース投稿で、SpaceXのCEOであるイーロン・マスク氏も、ラプターエンジンファミリーの新バージョンで達成された大きな進歩について取り上げ、効率性の向上、推力の増加、複雑さの軽減を強調した。さらに、彼は、Raptor3 の開発に費やされた労力は「驚くべきもの」だと主張した。 Raptor 3 の今回のアップグレードでは、SpaceX チームは次の 3 つの主要領域に重点を置きました。

エンジン設計を簡素化します。
内部化された二次流路。
露出部品の再生冷却を強化。

これらの改良による注目すべき成果の 1 つは、Raptor 3 エンジンにヒートシールドが不要になったことです。ヒートシールドをなくすことで、2 つの大きな利点が得られます。まず、エンジン全体の重量が軽減されます。これは、1 キログラムでも重要なロケット設計の重要な要素です。 2 番目に、ヒートシールドの統合とメンテナンスに伴う複雑さが排除されます。さらに、熱シールドがないため、SpaceX は消火システムを排除することができ、エンジンの設計がさらに簡素化され、潜在的な故障点が減ります。
マスク氏はまた、こうした簡素化にもかかわらず、ラプター3はいくつかの重要な指標において前身のラプター2よりも優れていると指摘した。したがって、新世代の Raptor3 には、全体の重量が軽く、推力出力が増加し、効率が高くなるという 3 つの大きな利点があります。これらの改良は、ロケットエンジンの性能の複数の側面に同時に対処しているため、特に注目に値します。多くの場合、ある領域の改善は別の領域を犠牲にして実現されることがあります。しかし、Raptor 3 は全般的に大きな進歩を遂げたようです。記事の最後で、マスク氏はラプター3エンジンを「まさに芸術作品」と称賛し、開発過程におけるエンジニアリングの力と革新的なデザインの融合を強調した。

しかし、マスク氏はラプター3にはまだ改良の余地があると考えている。将来の最終バージョンでは推力が300トンを超え、推力対重量比200という想像を絶する数値を達成する可能性がある一方、比推力はまだ5秒ほど改善できるという。しかし、これは既知の物理学の限界に近いため、Raptor 3 は今のところ大きな変更は行われず、大量生産のみが残ることになります。

Raptor エンジンファミリーの最新の開発は、SpaceX にとってロケットシステムの性能と信頼性の向上における大きな前進であることは間違いありません。同社が宇宙技術の限界を押し広げ続ける中、ラプター3エンジンのような革新は、宇宙探査とエイリアンの植民地化というSpaceXの野心的な目標を前進させる上で重要な役割を果たしています。
SpaceX は、航空宇宙部品の製造に 3D プリントを利用することに熱心です。<br /> 航空宇宙産業における積層造形技術の先駆者であるSpaceXは、この技術を幅広く活用して、特に従来の方法では製造が困難または不可能なロケットや宇宙船の部品を製造しています。 SpaceX は 3D プリントアプリケーションの詳細を秘密にしていますが、SpaceX が使用する 3D プリントプロセスはレーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術である可能性が高いと推測されており、近年、次のような関連するアプリケーション事例が登場しています。

ドラゴン宇宙船には、3DプリントロケットエンジンSuperDracoが搭載されています。2020年5月、SpaceXは世界初の商用有人ドラゴン宇宙船の打ち上げに成功しました。第2世代ドラゴン有人宇宙船には8基のスーパードラコエンジンが搭載されており、これは世界で初めて実用化された3Dプリント宇宙船エンジンでもある。そのうち、SuperDracoエンジンの多くの主要部品（ロケットエンジン室、主酸化剤バルブ本体、冷却チャネル、燃料インジェクター、スロットルシステムなど）は、EOSの直接金属レーザー焼結技術（DMLS）を使用して製造され、高強度、高靭性を備えたインコネルシリーズのニッケルベース高温合金を使用して印刷されています。
3Dプリントされた主酸化剤バルブを搭載したファルコン9ロケット: 2014年1月、SpaceXはファルコン9ロケット(Falcon 9)の打ち上げに成功しました。このロケットの9基のMerlin 1Dエンジンのうちの1基には、3Dプリントされた主酸化剤バルブ(MOV)本体が使用されていました。これは、SpaceXが3Dプリントされた部品を使用してロケットを打ち上げた初めてのケースでした。 3D プリントされたバルブ本体は、従来の鋳造品に比べて優れた強度、延性、破損耐性を備えており、通常の鋳造サイクルが数か月かかるのに対し、2 日で完成しました。
Velo3D、SpaceXから3Dプリンターの大量注文を受ける：2020年4月、サポートフリーの金属3DプリントメーカーであるVelo3Dは、製造業界で最も技術的に要求の厳しい契約の1つ、世界で最も成功している新しい民間ロケット会社であるSpaceXに22台の3Dプリンターを提供する契約を獲得しました。
競合企業のRelativity Spaceの幹部はSpaceX出身である。3Dプリントロケット企業Relativity Spaceの最高技術責任者であるジョーダン・ヌーンは、かつてSpaceXで推進開発エンジニアとして働いていた。同社が開発したTerranシリーズのロケットは、全金属3Dプリント技術を使用しており、SpaceXの技術と多くの類似点がある。

△写真：SpaceXの3Dプリント酸化剤バルブ本体。また、SpaceXがスターシップやスーパーヘビーブースターに使用しているラプターエンジンのインジェクタープレートも金属3Dプリント技術を使用して製造されています。過去数十年にわたり、SpaceX は複数の 3D プリントブランドと協力してロケットの部品を作成してきました。代表的なブランドとしては、EOS、Concept Laser (GE 傘下企業)、Velo3D、SLM Solutions、Stratasys、3D Systems などがあります。