主要エンジン部品を3Dプリント、西安航空宇宙技術部隊が「神舟文天」を護衛

出典：西安日報

2023年5月30日午前9時31分、酒泉衛星発射センターで、神舟16号有人宇宙船と、京海鵬、朱楊珠、桂海超の3名の宇宙飛行士を乗せた長征2Fロケット「堯16号」が点火され、打ち上げられた。これは、中国第六航空宇宙科学技術研究所（CASC 6A）が開発したフルレンジのパワーです。中国の宇宙飛行士の夢の実現への旅を護衛するのは、今回で11回目です。

中国宇宙科学院の西安航空宇宙エンジン株式会社は、最新の3Dプリント技術を航空宇宙エンジン部品の製造に応用し、航空宇宙液体エンジンの研究と生産の変革とアップグレードを推進しています。神舟16号有人宇宙船では、同社が開発したエンジン仕切り層間流路の重要部品「補強リブ」が3Dプリントされ、「神舟文天」に強力な動力サポートを提供した。

△第六航空宇宙科学技術アカデミー西安航空宇宙エンジン株式会社付加製造イノベーションセンター。（写真：記者竇一明）
58 基のエンジンが稼働中<br /> 第六航空宇宙学院は西安航空基地に本部を置き、打ち上げロケットの主電源システム、軌道・姿勢制御電源システム、宇宙船推進システムの研究、設計、製造、試験を統合した中国唯一の専門研究機関です。

この有人宇宙工学ミッションにおいて、第六航空宇宙科学技術アカデミーは、長征2号Fロケットと神舟16号宇宙船のさまざまな主推進エンジン、姿勢・軌道制御エンジン、熱制御サブシステム、生命維持システムのポンプとバルブの開発を担当しています。そのうち、10基は長征2Fロケットの支援に使用され、48基は神舟16号宇宙船の推進モジュールと帰還モジュールの2つの推進サブシステムの支援に使用され、58基は神舟16号の飛行乗組員を「天宮」まで護衛するために使用されます。

長征2Fロケットは現在、我が国唯一の有人ロケットであり、有人宇宙工学ミッションのための「宇宙飛行士専用列車」を提供します。エンジンはロケットの「心臓」です。この「心臓」の運動エネルギーとパワーが大きければ大きいほど、重いロケットをより高い軌道で宇宙探査に導くことができます。

「ロケットエンジンは、高温、高圧、高速、高推力、激しい振動などの過酷な環境で作動する必要があります。部品が1つでも故障すると、大惨事につながることがよくあります。そのため、製品が絶対確実で安全で信頼できるものであることを保証するのが、ロケットエンジン開発の鉄則です。」第六航空宇宙科学技術アカデミー西安航空宇宙エンジン株式会社付加製造イノベーションセンターの副所長、彭東建氏は、西安航空宇宙エンジン株式会社がロケットに使用されているコアの第1段エンジン、第2段エンジン、ブースターエンジンを製造し、関連部品の製造に3Dプリント技術を採用したため、エンジンの信頼性が向上し、効率と速度の両方が向上したと語った。

数百台の3Dプリンターが稼働開始

インタビューの中で、宇宙強国建設が加速的進歩の重要な時期に入るにつれて、今後、宇宙打ち上げミッションの数が大幅に増加し、宇宙液体推進はより困難で困難なモデル提供タスクに直面するとともに、科学研究と生産モデルの転換とアップグレードの緊急のニーズに直面することが分かりました。

「既存の伝統的製造方法では、生産サイクルが長い、材料利用率が低い、品質が不安定、検出やテストができない、合格率が低いなどの『問題点』や『阻害点』が完全に解決されていません。新しいモデルの開発プロセスは依然として『設計-製造-テスト』の大規模な閉ループ開発モデルを採用しており、設計の反復速度は液体動力製品の急速な発展に対応できません。」彭東建氏は、現在のモデル生産能力の欠点を補うために、積層造形技術の利点を十分に活用することが急務であると考えています。

積層造形法は、3Dプリンティングとも呼ばれ、金属粉末や金属線を原料として、層ごとに印刷して積み重ねることで一体型の部品成形を実現する製造技術であり、産業分野で広く利用されています。彭東建氏によると、航空宇宙エンジンは、高温合金やチタン合金などの加工が難しい材料を大量に必要とし、設計構造が複雑で、プロセスフローが長い。軽量、低コスト、迅速な開発に対する切実な要求は、自由度が高く、成形が速いなどの3Dプリントの特性と非常に一致している。

そのため、西安航空宇宙エンジン株式会社は金属積層造形技術の研究を重視しており、西北工業大学、華中科技大学と革新的な共同実験室を設立し、2017年に積層造形イノベーションセンターを正式に設立しました。同社は、3Dプリントを第一線の生産に広く活用するため、2021年に資金を調達し、総面積9,000平方メートルの積層造形産業化と研究開発の二重センターを建設し、100台以上の積層造形設備を導入し、7つの主要機能エリアを備えたスマートな産業レイアウトを形成しました。

最近、記者は西安航空宇宙エンジン株式会社を訪問し、積層造形イノベーションセンターで、高くて広々とした工場ビルの中に、さまざまなサイズの積層造形装置100台以上が整然と配置されているのを目にした。装置の成形室では、柔軟に動くレーザービームが燃える白い炎を噴射し、金属粉末を連続的に溶解、結合、冷却し、層ごとに積み上げ、複雑な金属部品を「印刷」します。

神舟16号有人宇宙船の「補強リブ」は、エンジン隔壁中間層内の流路の重要な構成要素であり、主にエンジンの燃焼安定性を確保するために使用されます。彭東建氏は、「強化リブ」は西安航空宇宙エンジン有限公司の付加製造イノベーションセンターが独自に開発した製品だと述べた。「これまで、この製品はインベストメント鋳造技術を使用して生産されていましたが、この技術は29のプロセスフローがあり、サポート設備が多く、依存性が強く、合格率は20％未満でした。インベストメント鋳造プロセスを3Dプリント技術に置き換えることで、「強化リブ」の製造サイクルは75％短縮され、合格率は98％に上昇し、コストは30％削減され、製品の多くの性能指標は従来の鋳造の過去最高値に近いか、それを上回っています。」

3Dプリント技術は伝統的な製造技術の限界を打ち破り、航空宇宙液体推進の開発における部品開発の問題解決に注力しており、製品の合格率、製造プロセス、信頼性が大幅に向上し、航空宇宙液体推進の製造技術の向上を実現していることがわかった。彭東建氏は、同センターは今年、完成品1万点以上を納入する予定であり、その部品は航空宇宙エンジンの分野で広く使用されるだろうと明らかにした。

「ダークファクトリー」とクラウド製造プラットフォームを構築 「製造強国戦略の深化」の主な方向として、付加製造は品質強国、宇宙強国、デジタル中国の建設を加速する重要な手段であり、わが国の製造業における明るい「名刺」となり、わが国の製造業のハイエンド、インテリジェント、グリーンの発展を促進し、実体経済とデジタル経済の高品質な融合を促進し、産業チェーンとサプライチェーンの回復力と安全性を高める上で大きな役割を果たしました。

近年、西安航空宇宙エンジン株式会社に代表される西安の付加製造企業群は、業界の発展をリードする「先鋒」となりつつある。彭東建氏は、現在、西安航空宇宙エンジン株式会社の付加製造イノベーションセンターは、中国における付加製造のエンジニアリング応用でトップにランクされていると述べた。

積層造形イノベーションセンターは現在、チタン合金、耐熱合金、航空宇宙用高強度ステンレス鋼など5種類の合金29グレードの積層造形能力を備えており、多孔質格子構造の設計と製造、微細構造の精密積層造形、レーザー溶融堆積による高性能修復など20以上の主要技術でブレークスルーを達成し、設計、材料、成形、後処理から試験評価までの全プロセス技術システムを確立しています。さらに、技術研究とエンジニアリングの応用を推進する過程で、50種類以上のエンジンに複雑な3次元密閉型インペラ、インジェクター、複雑なケーシングなど、600を超える製品の積層造形を実現しました。これらの技術は、有人宇宙飛行、火星探査、北斗ナビゲーションなど、80 回を超える宇宙打ち上げや飛行試験ミッションで広く使用されています。

西安航空宇宙エンジン株式会社は、インテリジェント、デジタル、リーン積層造形の開発目標を掲げ、3万平方メートルの工業化基盤の構築に全力を尽くしています。 2025年までに、デジタル成形、インテリジェント監視、インテリジェント物流技術を基盤としたインテリジェント積層製造「ダークファクトリー」を建設し、300セットの積層製造設備を備える予定。同時に、技術と資源の優位性を生かし、社会から高品質の積層造形生産資源を吸収し、安全で信頼性が高く、協力的で効率的な積層造形クラウドプラットフォームを構築し、西安の積層造形産業の発展をリードし、宇宙強国の構築にさらに貢献していきます。

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