上海宇宙推進研究所等宇宙推進における積層造形技術の応用

出典: 中国航天

概要: 宇宙推進の分野では、積層造形技術により一体成形を実現し、モジュール化と統合性を向上させることができ、複雑で高価な部品を準備する際に明らかな利点があります。現在、国内外の主要航空宇宙機関は、宇宙推進システムへの積層造形技術の応用を積極的に開発しています。一般的に使用される積層造形技術には、レーザー選択溶融技術、指向性エネルギー堆積技術、電子ビーム溶融技術、ステレオリソグラフィー技術などがあります。この記事では、主に宇宙推進分野で積層造形技術によって製造される、推力室インジェクター、再生冷却体、陽極、タンクなどのさまざまなコンポーネントを紹介します。同時に、これらのアプリケーションにおける積層造形の技術的利点をまとめ、宇宙推進分野への応用における課題と潜在的な機会について説明します。

深宇宙探査、有人月面着陸、衛星ネットワークなどの宇宙活動の急速な発展に伴い、世界の主要宇宙大国は宇宙船の開発を加速させています。宇宙推進システムは宇宙船の中核部品として、姿勢調整、軌道制御などに重要な役割を果たします。その開発方向は、長寿命、軽量、再利用性、迅速な対応反復、カスタマイズです。近年、積層造形技術は大きな進歩を遂げ、特に宇宙推進システムの軽量化、統合化、モジュール化の改善に広く利用されるようになりました。本稿では、液体ロケットエンジンの推力室やタンク、電気スラスタの陽極部品、セラミック部品など、宇宙推進システムのさまざまな部品への積層造形技術の応用について詳細に紹介し、宇宙推進への応用における積層造形技術が直面する課題と開発の方向性をまとめています。

1. 付加製造技術<br /> 付加製造技術は、コンピュータ制御方式を使用して、指定された経路に沿って基板上に材料を層ごとに堆積させ、製品を形成する処理方法です。鋳造や機械加工などの従来の方法と比較して、積層造形技術を使用すると、複雑な形状の部品を迅速に製造することができ、金属、セラミック、ポリマー、複合材料、生体材料などのさまざまな材料に使用できます。宇宙推進システムで広く使用されている技術には、図 1 に示すように、レーザー選択溶融法 (SLM)、指向性エネルギー堆積法 (DED)、電子ビーム溶融法 (EBM)、熱溶解積層法 (FDM)、ステレオリソグラフィー (SLA) などがあります。

図1 積層造形技術の分類

従来の鋳造、鍛造、機械加工方法と比較して、積層造形技術には、材料利用率が高く、生産サイクルが短く、成形精度が高く、設計の自由度が高いなどの利点があります。しかし、積層造形プロセスでは、要素の焼損や高い熱応力が発生し、ひび割れなどの欠陥が発生しやすくなります。様々な産業における積層造形の推進と応用に伴い、積層造形に使用できる材料も大幅に豊富になってきています。金属材料には、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、耐熱合金などがあり、図2（a）と（b）に示すように、高エントロピー合金でも優れた性能を持つ新材料が開発されています。セラミック材料に関しては、米国のヒューズ・リサーチ・ラボラトリーズ（HRL）がSLA技術を用いて製造したSiOCセラミックは、1700℃の高温に耐えることができます（図2（c）参照）。

図2 積層造形に適した新材料

2. 宇宙推進における積層造形技術の代表的な応用例

宇宙推進システムは、化学エネルギー、電気エネルギー、太陽エネルギー、核エネルギーをジェット運動エネルギーに変換する技術であり、主に各種宇宙船の軌道制御や姿勢調整に使用されます。高速衛星ネットワークと遠方の小惑星の探査に対する需要が高まるにつれて、宇宙探査は急速な発展期に入り、宇宙船、特に宇宙推進システムの応答速度、経済性、持続可能性に対する要件が高まっています。
軽量設計コンセプトは多くの産業に存在しますが、宇宙推進の分野では特に重要です。構造質量を減らすと、ペイロードが増加するだけでなく、回転部品の慣性モーメントも減少し、始動トルク、ブレーキトルク、回転部品とシャフト間の相互作用トルクも減少します。現在、宇宙探査ミッションのコストは 1kg あたり 20,000 ユーロに達しています。構造負荷を軽減することで、打ち上げコストを削減できます。

1. 海外の現状

1. 米国は2013年に早くもタンクと燃焼室を1つの統合システムに統合したAMPS-Hマイクロ推進システムを開発し、プロビデンス推進研究所でエンジンの液体流動試験と16秒間の点火試験を実施しました。同年、アメリカの大学は積層造形技術を用いて立方体衛星の電子機器を製造し、研究開発の効率を大幅に向上させました。
NASAは2015年に初めて積層造形法で製造される立方体衛星のコンポーネントの設計を開始し、エアロジェットロケットダインがそれぞれピストンタンクと球形タンクを設計しました。ピストンタンクには、付加製造されたタンク本体、スラストチャンバー、ブラケットが含まれており、球形タンクは部品点数を 50% 削減し、溶接をなくし、コストを 70% 削減し、小型衛星の低コスト製造のためのソリューションを提供します。 NASA は SLM 法を使用して、2300°C の高温に耐えられる複雑な構造と微細な格子構造を持つ純タングステンスラスタコンポーネントを製造しています。
ペンシルバニア大学 Lunar Lion チームは、付加製造法を使用して、月面着陸システムのデュアルエンジン姿勢制御システム用の「ペンシル」スラスタを開発しました。図 3 に示すように、従来のスラスタは 12 個の個別の部品で構成されており、これらの部品はねじで接合され溶接されて燃焼室内で液体酸素と燃料を混合し、燃焼室のもう一方の端に取り付けられたスパークプラグで混合物を点火します。積層造形法に基づき、「ペンシル」スラスターは3つの部分に簡素化され、サポートの数や成形方向などの要素が十分に考慮されています。加工時間は86%以上短縮され、部品点数は33%削減され、シール面数は66%削減されることが実証されています。

図3 従来の「ペンシル」スラスタの設計と積層造形による改良設計

テキサス大学オースティン校のテキサス宇宙船研究所は、積層造形技術を使用して作られた推進剤ダクト、タンク、ノズルを含む極低温ガススラスタを開発しました。このスラスタは、CubeSat の姿勢制御ミッション用に 60 mN の推力を生成できます。 Olano らは、高温でも必要な磁場を生成できる SmCo 永久磁石と、従来の技術よりも複雑な設計の選択的レーザー溶融法で製造された 316 ステンレス鋼製の積層造形アノードを使用して、小型ホールスラスタを製造しました。アノード設計は推進剤の分布に大きく影響するため、AM で製造されたより複雑なデバイスでは、従来の製造方法よりも均一に調整された推進剤の分布を実現できます。 Romeiらは、図4に示すように、抵抗加熱電気スラスタ用にSLM法で316Lステンレス鋼の高アスペクト比の薄壁同心加熱管を製造しました。積層造形で製造された超高温多機能熱交換器の動作性能が検証されました。テスト後、推力は（9.7±0.025）〜（29.8±0.025）mNで、最大比推力は（80.11±1.22）sと測定されました。 2023年、ThrustMeは、研究開発の効率を向上させ、従来の加工方法における型開き時間が長いという問題を克服するために、3DCeramの積層造形による電気スラスター用セラミック部品を選択しました。ヨウ素駆動電気スラスタの軌道上運用を達成した最初の企業として、ThrustMe は、高電圧の電気破壊を効果的に分離して防止し、電気スラスタの性能を確保できる積層造形セラミック材料の徹底的な評価を実施しました (図 5 を参照)。 MIT の研究者は、完全に付加的に製造されたナノエレクトロジェットスラスタを開発しました。これは、酸化亜鉛ナノワイヤの水熱成長プロセスを使用して製造されます。このスラスタは、純粋なイオン流を放出でき、同様のエレクトロジェットスラスタよりも高い比推力を備えています。図 6 に示すように、このスラスタは小型衛星の電力システムに使用されます。

図4 抵抗加熱式電気推進装置

図5 電気スラスタのセラミック部品

図6 積層造形法で作られたナノエレクトロジェットスラスタ

2016年、NASAの宇宙船および補助推進システム部門は、積層造形法によって立方体タンクの製造に成功しました。試験された破裂圧力は1600Paを超え、安全係数は5で、最大設計圧力が400Pa、爆発係数が4という設計要件を満たしました。積層造形をベースにした開発プロセスにおいて、設計者は燃料パイプラインを側壁の流路に変換し、一体型の流路を備えた推進剤タンクを準備することで、穴を開けてから密閉するといった手順を省き、構造質量の低減に貢献しました。 NASAは現在、積層造形を最大限に活用するために1Nスラスタを改良中です。

Aerojet Rocketdyneは、スケーラブルな推力生成MON-25推進技術と積層造形を組み合わせ、複数のスラスタをモジュールの反応制御システムに統合しています。図7に示すように、RC-120は積層造形に適したISE-100スラスタをベースにした改良モデルです。SLM法を使用して、統合されたインジェクタモジュールとスラストチャンバー本体を準備します。従来の加工スラスタと比較すると、比推力は20〜50秒失われますが、コストは70％削減されます。

図7 RC-120推進システム

2023年1月3日、オービター宇宙タグがファルコン9ロケットで打ち上げられました。エンジン推力室には、積層造形技術で製造されたニッケルベースの高温合金部品が使用され、コストが大幅に削減されるとともに、集積度が向上し、開発サイクルが短縮されました。 2023年、NASAはRAMFIREプロジェクトでElemntum 3Dと協力し、A6061-RAM2材料を使用して、積層造形による新しいアルミニウム合金ロケットエンジンノズルの作成とテストに成功しました（図8を参照）。合計で約10分間動作し、実験結果から、月着陸船規模のエンジンの熱、構造、圧力負荷に耐えられることが示されました。

図8 積層造形技術で製造したアルミニウム合金製ロケットエンジンノズルのテスト走行

2. その他の国または地域

ESAとオーストラリアのモナッシュ大学は、軽量で低推力のロケットエンジンを共同で開発しています。図9に示すように、エンジン本体はコンフォーマル冷却サンドイッチ構造を採用しており、従来の冷却チャネルと比較して、接触面積が大きく、熱交換効果が優れているため、構造質量を効果的に削減できます。欧州探査会社とアラブ首長国連邦のLEAP71社は2023年に宇宙エンジンの分野で協力を開始し、計算工学モデルを使用して適応境界条件とパラメータ（推進剤の種類、推力など）を通じて生成設計を実行し、反復的な最適化を通じて、図10に示すようにエンジンのプロトタイプを迅速に取得します。

図9 ロケットエンジン本体のコンフォーマルサンドイッチ構造

図10 積層造形法で設計されたLEAP71エンジンの断面

2. 私の国の現状

現在、宇宙推進システムでは主に冷ガス推進、化学推進、電気推進が使用されており、化学推進は単一推進剤と二重推進剤に分けられます。近年、遠方の小惑星探査などの宇宙ミッションは進歩し続けており、エンジンの長寿命と信頼性に対する要求は高まっています。上海宇宙推進研究所は、5000N、15000N、20000Nロケットエンジンの再生冷却体の研究を相次いで行っています。図11は、5000Nエンジンの実際の再生冷却体とテスト写真を示しています。図12は実際の15000Nロケットエンジンと点火試験の写真です。地上高温試験と高高度模擬高温試験による検証を経て、最長の単一連続作動時間は100秒に達し、真空比推力は315.3秒で、同じシステムパラメータの下で国際先進レベルに達しました。図 13 に示すように、20000N 液体酸素メタン軌道制御エンジンは、積層造形技術を使用して統合推力室を準備し、複数のホットテスト評価を完了しており、真空比推力は 3560N/kg です。

図11 5000N再生冷却ボディ構造とテスト写真

図12 15000Nエンジン再生冷却ボディ構造と地上点火試験写真

図13 積層造形統合20000N液体酸素メタンエンジンのテストラン

電気スラスタに関しては、上海宇宙推進研究所はSLM技術を通じて80mNの電気スラスタ陽極を準備することに成功し、キセノン作動流体テストを実施しました。累積点火時間は6時間55分で、推力は設計要件を満たしました（図14を参照）。

図14 陽極部品と点火試験

ギャラクシーパワー（北京）スペーステクノロジー株式会社が開発したCeres-1商用ロケットでは、図15に示すように、第4段に積層造形された軌道制御エンジンが使用されています。これは、中国で積層造形ソリューションを全面的に採用した最初の軌道制御エンジンです。

図15 セレス1 4段軌道制御エンジン

3. 結論

宇宙推進の分野では、積層造形は主に以下の点で多くの課題に直面しています。
（１）積層造形技術で製造された部品は、従来の鋳造、鍛造、機械加工で製造された部品とは内部構造や機械的特性が大きく異なり、特に欠陥のサイズは小さいものの、層間微小亀裂が容易にマクロ亀裂に拡大する可能性がある。現在のCT検査やX線検査は精度に限界があり、構造サイズによって制限されます。積層造形部品の内部欠陥検出に適した装置や技術の開発が急務となっています。宇宙推進分野のコンポーネントは、高温と交互荷重にさらされることが多く、内部欠陥が簡単に亀裂の原因となり、疲労破壊の大きなリスクをもたらします。

（2）宇宙推進分野、特にインジェクターなどの主要部品は、廃棄物の防止と制御、流動抵抗に対する要求が高く、現在、積層造形の特徴解像度と表面粗さは、精密製造の要求にまだ達していない。これは、積層造形の成形精度と密度を向上させるだけでなく、積層造形技術をより効果的に使用するための適切な後処理方法（化学粉砕、電気化学研磨、研磨流動など）を開発することを必要とする。

（３）積層造形は軽量化において独自の利点を有し、特に複雑な格子構造を積層造形法で形成できる。しかし、宇宙推進システムは振動、衝撃、高温、低温などの複雑な熱・機械環境に耐える必要があり、格子構造に関する実験データが不足している。また、格子構造のサイズが小さいため、シミュレーション計算の作業負荷が大きく、精度が低いため、宇宙推進システムにおける積層造形格子構造の信頼性を向上させるには、合理的なデータ処理および検証方法が必要です。

近年、宇宙推進システムは、再利用性、軽量性、長期使用性に関してより高い要求を突きつけています。積層造形技術の統合、モジュール化、軽量化の利点は、宇宙推進分野への応用に新たな機会をもたらしています。

（１）宇宙推進システムの複雑な部品には積層造形技術がますます多く利用されており、性能を確保しながら構造質量とサイズを削減し、開発効率を大幅に向上させている。さらに、積層造形技術は、構造機能の統合設計と製造に大きな自由度をもたらし、構造と材料の最適化された設計を通じてエネルギー吸収、熱伝達、耐荷重能力を向上させることができます。

（２）宇宙推進分野の一部の部品には、高い高温強度、優れた絶縁性、耐摩耗性が求められる。セラミックスなどの材料はこれらの要件を満たしているが、従来の加工は難しく、歩留まりも低い。積層造形技術は、セラミックスなどの材料を製造するための新しい方法も提供しており、高精度、高密度の成形特性により、セラミックスなどの新材料の製造に大きな可能性を秘めています。

（３）積層造形技術により、宇宙推進システムの軌道上メンテナンスが可能となる。現在、宇宙でポリマーの積層造形が可能となっている。将来、金属やセラミック材料の積層造形が実現すれば、軌道上での部品交換などの作業に活用できる。

著者について<br /> 楊旭東1 周俊1 焦子賢1 徐欣2 謝怡2
1.上海宇宙推進研究所; 2.上海宇宙エンジン工学技術研究センター

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