数百億元を調達した商業航空宇宙部門は、ロケット部品を3Dプリントしている。

はじめに：ここ数年、中国では商業航空宇宙分野の新興企業が数多く登場し、数千億元の資金を獲得しています。これらの企業は、ロケットの製造プロセスにおいて革新的な3Dプリント技術を大胆に活用し、商業航空宇宙部門の急速な発展を強力にサポートしました。

3D プリント技術により、複雑な形状の部品を迅速に製造できるため、従来の製造方法における面倒なプロセスや長い処理サイクルが削減されます。たとえば、ロケットエンジンなどの複雑な部品は 3D プリントによって精密に製造できるため、部品の性能と信頼性が向上します。同時に、 3Dプリントは軽量設計も実現できます。設計と材料の選択を最適化することで、より軽量でありながら十分な強度を備えた部品を生産することができ、宇宙船の重量を軽減し、打ち上げコストを削減する上で大きな意義があります。

急成長する商業宇宙産業

●2024年6月9日、中国の商用航空宇宙スタートアップである東方宇宙が設立4周年を迎えました。過去4年間で、東方宇宙は5回の資金調達を完了し、総資金調達額は17億元に達しました。今年1月11日、東方宇宙の重力1号ロケットが初飛行に成功し、固体燃料運搬ロケットの世界記録を更新し、我が国の固体ロケットの運搬能力がさらに3倍に増加しました。これは我が国の商業航空宇宙における自主革新における大きな進歩であり、中型運搬ロケットの便利で効率的な打ち上げに費用対効果の高いソリューションを提供しました。

△東方宇宙「重力」シリーズロケット

● 6月11日、天鼎科技は15億人民元を超えるC+追加資金調達ラウンドを完了したと発表した。今回の資金は主に、天龍3号大型液体燃料ロケットの初飛行と量産、天龍3号リサイクル製品の開発、天龍2号中型液体燃料ロケットの量産に使用される。大手民間航空宇宙企業である天鼎科技は、設立以来5年間で15回の資金調達を完了し、累計40億元を超える資金援助を受けています。数多くの著名な投資機関の継続的な支援により、天鼎科技はロケット開発、打ち上げサービス、技術革新において目覚ましい成果を達成しました。 2023年4月2日、天鵝科技の中型液体燃料ロケット「天龍2号」が酒泉衛星発射センターで初飛行に成功し、民間企業として20数年ぶりに初飛行を達成した世界初の企業となった。天龍2号の初飛行成功は、中国の商用航空宇宙液体燃料ロケットにとって新たな時代を告げるものである。

△天鵝科技の大型ロケット「天龍3号」

●4月15日、ブルーアロー航空宇宙のZQ-3再使用ロケット垂直離着陸回収試験アロー（以下、「試験アロー」）が「十キロ級飛行」の改造・組み立て作業を無事完了し、最終的な総合テストと工場出荷段階に本格的に入ります。これは、1月19日に100メートル垂直離着陸飛行試験に成功した後、再使用型ロケット「すざく3号」が達成しようとしている新たなマイルストーンの1つである。

△ランドアロー・エアロスペース再使用型ロケット「すざく3号」

● 5月29日16時12分、太原衛星発射センター海上打ち上げチームの組織と指揮の下、銀河動力航天公司は山東省近海でセレス1号海上打ち上げ（堯2号）ミッションを成功裏に完了した。「黙示録星座」25号から28号までの計4機の衛星が850kmの低軌道に無事に打ち上げられた。

△ ギャラクシーパワーセレス1号海上ロケット打ち上げ

「中国宇宙科学技術活動ブルーブック（2023年）」のデータによると、わが国は2023年に26回の商用打ち上げを完了し、そのうち25回が成功し、打ち上げ成功率は96％でした。合計120機の商用衛星が開発・打ち上げられ、年間を通じて開発・打ち上げられた衛星数の54％を占めました。中国には現在、打ち上げサービスを提供できる商用ロケットが9種類あり、商用航空宇宙は安定したサービス能力を形成していると報告されている。

商業宇宙飛行といえば、米国のスペースXを挙げざるを得ない。同社は商業宇宙飛行のリーダーとして、2023年に計98機のロケットを打ち上げた。実験的な2回の打ち上げを除き、同社の再使用型ロケット「ファルコン9」と「ファルコンヘビー」の打ち上げ96回はすべて成功し、世界総数の43％を占めた。打ち上げ質量は1,195トンに達し、世界総数の80％を占めた。打ち上げられた衛星の数は2,514機（うち「スターリンク」は1,948機）で、世界総数の87％を占めた。

3Dプリントが民間航空宇宙産業の製造ツールに

これまで、いくつかの民間航空宇宙企業も、ロケット部品の製造に3Dプリント技術を使用していることを明らかにしてきました。この記事では、現在市場に出ている民間航空宇宙企業がどのように3Dプリント技術を使用してロケット部品を製造しているかを収集し、整理しました。

Galaxy Power 3D プリントされた液体酸素灯油エンジン部品

ギャラクシーパワーは、中国初の50トン可変推力、再利用可能なオープンサイクル液体酸素/灯油エンジンを開発しました。「天空」液体酸素/ケロシンエンジンは、「鎮勝」液体ロケットの第1段（7基）と第2段（1基）の主動力装置として機能し、多点始動可変推力ガス発生サイクル液体ロケットエンジンです。各エンジンの定格推力は海面で40トン、最大推力は海面で50トン（第1段には1つの「エンジンアウト」機能があります）、最小推力は海面で10トン（可変推力比4：1）です。可変推力で動作する場合、ブースターステージの垂直降下と軟着陸回復の要件を満たすことができます。エンジンは、複数回の再利用と障害検出および分離の機能を備えています。各エンジンは 50 回再利用でき、±6° の旋回能力を持ち、エンジン推力重量比は 120 を超えます。

2019年7月、FalconTechはGalaxy Powerと連絡を取り、9月に合計30個以上のさまざまなサイズの部品を携えて正式にプロジェクトを引き継ぎました。この一連の部品の設計および製造プロセスでは、Farsoon High-Tech の金属 3D プリントソリューションが使用され、すべての部品の納品が 4 か月で完了しました。この期間中、FalconTech チームは、ロケットエンジン部品のレーザービーム溶接、インペラとシャフトの 5 軸加工、動的バランス実験、陽極酸化処理、Farsoon High-Tech のオープンソース金属 3D 印刷装置による空気圧および油圧テスト用の専用カスタマイズテストツールを複数セット開発しました。 Galaxy Power とのこのコラボレーションは、ロケットエンジン部品の積層造形の開発における大胆な進歩です。

△ファルコン金属積層造形スーパーファクトリー

タービンポンプのインペラと渦巻きの設計開始時には、それぞれ単純な表面加工ソリューションと複雑な表面の 3D プリントソリューションが設計されました。後者は前者よりも約 5% 効率的です。さらに、タービンディスクも機械加工と3Dプリントの2つの成形方法を採用しています。機械加工には20〜25日かかりますが、3Dプリントには3〜4日しかかからないため、製造サイクルが80％短縮され、生産コストが削減されます。

DeepBlue Aerospace の完全 3D プリントされた液体酸素ケロシンエンジン

DeepBlue Aerospace の液体酸素・灯油再利用可能エンジン「Thunder-R1」は、Thunder-5 エンジンの 3D プリント技術とプロセスを継承しています。雷5号エンジンの重量の85%は3Dプリント技術で作られており、中国で3Dプリント技術を使用して製造された最初のピントル型液化酸素灯油エンジンです。「星雲M」テストアローに正常に搭載され、10メートル、100メートル、キロメートルレベルのVTVLテストに成功し、貴重な経験を積んでいます。

これに比べて、より大型で強力なThunder-R1エンジンも、Thunder-5エンジンの成功した技術基盤を採用しており、主要部品は3Dプリンターで完成されています。

3D プリント技術により、エンジンの製造プロセスが大幅に短縮され、コストを削減できます。たとえば、従来のプロセス条件下では数百の部品で構成される液体エンジンの推力室は、3D プリント技術を使用することで 2 つの部品にまで削減できるため、実際の動作条件での故障の可能性が低減します。さらに、従来のエンジン製造技術の市場供給は限られているのに対し、3Dプリント技術は急速に発展しており、市場志向のサプライヤーの供給源はより広範囲に及んでいます。Deep Blue Aerospaceは市場志向の環境に依存しており、競争においてより顕著な優位性を持っています。

Landspace が液体酸素メタンエンジン部品を 3D プリント

2024年1月19日、ブルーアロー・エアロスペースが独自に開発した再使用型垂直離着陸回収検証ロケット「すざく3号VTVL-1」の初の大規模垂直離着陸飛行試験ミッションが大成功に終わりました！このミッションでは、ブルーアローエアロスペースの再使用型液体酸素メタンロケット第1段垂直回収全体計画の正確性、広範囲可変推力液体酸素メタン動力システム計画の正確性、ロケット制御システムとエンジン推力調整特性のマッチング、ロケットの着陸段階誘導制御計画の正確性、ロケットの軟着陸クッション機構の動作性能、再使用型ロケットの打ち上げ、回収、後処理プロセスの正確性を検証し、すざく3号再使用型液体酸素メタンロケットの主要技術の中核試験データを取得することに成功しました。 Polylite 社は、この飛行ミッションに対して包括的な金属積層造形技術サポートを提供しました。

ポリライトとランドスペースの協力は2019年に始まりました。ポリライトは、ランドスペースのZQ-3再使用ロケットが初の大規模垂直離着陸飛行試験ミッションを成功させ、ZQ-2ヤオ2号とヤオ3号運搬ロケットの打ち上げミッションも成功させるのを支援しました。ブルーアロー・エアロスペースが開発した液体酸素メタンエンジンは、技術研究とエンジニアリング開発段階を完了し、製品の性能、サイクル、コストなどに対する高い要求がある量産段階に入りました。 Polylite は金属 3D プリント技術を使用して、Blue Arrow のさまざまな部品の開発と量産を支援しました。

点火エルボを例にとると、この部品のサイズは140mm×187mm×140mmで、特殊な形状の構造を持つ薄肉パイプ部品です。過去の経験から、生産が難しく、材料利用率が低いことが分かっています。 BLT製品チームは、部品の変形しやすさを考慮してカスタマイズされたプロセスソリューションを開発し、高温合金材料を選択し、BLT-S400装置を使用して部品の大量生産を実現しました。フルバージョンでは10個のピースを形成でき、印刷時間は約65時間です。製品の品質と精度を確保しながら、部品の迅速な製造を実現し、顧客の生産コストの削減、技術の反復の加速、研究開発の効率向上に貢献します。

△肘関節の模式図

ポリライトが参加している典型的な商業航空宇宙応用シナリオには、再利用可能な液体酸素メタンロケット、固体ロケット、液体ロケット、立方体衛星展開装置、実験衛星、商業通信衛星などがあり、これらの商業航空宇宙プロジェクトの多くは量産段階に入っています。

天兵科技の超大型推力室ステンレス鋼3Dプリント

2024年1月、民間航空宇宙企業である天氷科技が大型液体燃料ロケット天龍3号向けに開発した推力110トンの液体酸素ケロシンロケットエンジン「天火12」（略称TH-12）が、初の飛行バッチ校正ホットテストに成功した。

天氷科技の100トンTH-12ロケットエンジンは、冷ガス多重始動技術、自然発火技術、燃焼不安定性抑制技術、超大型推力室ステンレス3Dプリント製造技術、タービンディスク熱部品3Dプリント技術など、40以上の重要な革新技術を採用した中国初のロケットエンジンであり、これらの技術は複数のテストを通じて完全に検証されています。

天鼎科技の創業者兼会長である康永来氏はインタビューで次のように語った。「天龍2号は3Dプリントされた液体ロケットエンジンを搭載した中国初の運搬ロケットであり、エンジン部品のほぼ90％が3Dプリントされている。」従来のプロセスと製造技術では、エンジンは多くの材料を使用し、設計構造が複雑で、プロセスフローが長く、製造に長い時間がかかりました。3Dプリント技術を使用した後、エンジンの製造サイクルは70％〜80％短縮され、コストは元の約半分に削減されました。

Tianbing Technologyが3Dプリントソリューションの開発を初めて決定したとき、市場には関連部品を3Dプリントできる企業はありませんでした。供給側での3Dプリントプロセスの安定性をどのように向上させるか、3Dプリント製品が出た後にどのように処理するか、3Dプリント材料の性能をさらに向上させるにはどうすればよいかなど、舞台裏で多くの作業が必要でした。 Tianbing Technology はサプライヤーと協力して 3D プリントソリューションを研究し、最終的に実装しました。この技術革新により、中国の 3D プリント技術は大きく前進しました。

「ある意味、私たちは3Dプリント産業を推進し、中国の3Dプリント技術をハイエンド機器製造業界に押し上げてきた」とカン・ヨン氏は語った。

オリエンタルスペース3Dプリントメインバンドル関連パーツ

東方宇宙が独自に開発した重力1号（雲耀1号）黒蘭家ロケットは、雲耀18号から20号までの3基の衛星を所定の軌道に無事に運び、飛行試験ミッションは完全に成功した。

「重力1号」ロケットの初飛行は、より困難な海上打ち上げ方式を採用し、世界最大の固体燃料ロケット、中国最大の民生用ロケット、中国初のバンドル型民生用ロケットなど、多くの記録を樹立した。これは、我が国の商用ロケットの自主革新に大きな進歩をもたらし、我が国の中低軌道衛星の打ち上げ能力の多様化と大規模化を拡大し、我が国のロケットスペクトルをさらに充実させ、我が国の衛星群ネットワークの大規模な構築に貢献した。

ポリライトは「Gravity No.1」の開発に参加し、顧客向けに主要バンドル関連部品を印刷しました。これらの部品はサイズが大きく、変形しやすい特殊な形状の構造部品です。従来の処理方法は難しく、サイクルが長く、材料の利用率が低いという欠点があります。 LSF 技術の使用により、大型構造部品の迅速な製造が可能になります。

Polylite の LSF テクノロジーは、大型の特殊形状構造部品のニアネット成形を実現し、部品の生産サイクルとコストを削減し、開発サイクルを短縮し、材料の利用率を大幅に向上させ、製造コストを削減します。検査の結果、TC11チタン合金部品の常温引張機械特性は信頼性が高く、引張強度は1060MPa以上、降伏強度は885MPa以上であり、技術要件を満たし、製品の品質を保証します。そして硬化プロセス後は、コストとサイクルが大量生産のニーズを満たします。 Polylite は複数のデバイスを使用して同時に印刷し、顧客向けに 30 種類以上の主要なバンドル関連製品を大量生産しました。成形された部品の品質と性能は極めて安定しており、航空宇宙分野の厳しい要件を満たし、ロケットの打ち上げ成功に貢献します。

終わり

内容の多くは企業秘密に関わるため、同社は3Dプリントの製造プロセスのより詳しい内容を公表することはできない。課題はあるものの、商業航空宇宙分野における 3D プリント技術の応用が継続的に拡大し、深化していることは否定できません。技術が進歩し、向上し続けると、商業宇宙飛行にさらなる革新と発展がもたらされ、人類による宇宙探査に対するサポートが強化されます。

数百億元を調達した商業航空宇宙部門は、ロケット部品を3Dプリントしている。

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