金属積層造形がロケットエンジンの性能を向上

この投稿は warrior bear によって 2022-12-13 18:45 に最後に編集されました。

はじめに: 衛星が私たちの生活に重要な役割を果たしていることは疑いの余地がありません。衛星は、地球の雲、海洋、陸地、大気に関する情報を提供し、科学者が天気や気候を予測できるようにするだけでなく、日常のコミュニケーションなどにも不可欠です。しかし、衛星のサイズも縮小していることをご存知ですか?今日の衛星は以前のバージョンよりも軽量化されているため、製造コストが安くなり、打ち上げコストも削減されています。そのため、企業もそれらをサポートするために、より小型で低コストのロケットの製造に取り組んでいます。ランチャーは、ロケット製造の分野で有名な代表例の1つです。

2017年にカリフォルニアで設立されたスタートアップ企業であるLauncherは、衛星打ち上げ市場（2030年までに80億ドルから380億ドルに成長すると予想）の増大する打ち上げニーズを満たすことを目指しています。同社は液体推進技術と金属3Dプリントを組み合わせて、小型衛星を軌道に乗せるための効率的なロケットや乗り物を製造している。特に、彼らは大量生産に最適化された低コストのランチャーエンジン2（E2）ロケットエンジンを考案しました。このエンジンは、同クラスで最高性能の液体ロケットエンジンを目指しており、軽量ロケット発射装置の中核となる推進部品となることを目指しています。この革新的なデザインを実現するために、Launcher は Stratasys Direct Manufacturing と Velo3D の金属積層製造技術を採用しました。
△テストエンジン（写真提供：Launcher/John Kraus Photography）
E-2 液体ロケットエンジンの詳細<br /> 前述のように、ランチャー E-2 液体ロケットエンジンは、ランチャー高性能ロケットの一部として設計されています。 LOX（液体酸素）/RP-1（灯油）を燃料とする22,000 lbf（ポンド力）のエンジンは、世界最高性能の小型打ち上げエンジンと考えられています。銅合金を使用して3Dプリントされており、燃焼効率は98％、Ispは365sです。さらに、LOX ポンプのインペラはバランス性に優れているため、極低温状態でも液体酸素を供給しながら毎分 30,000 回転で回転できます。
しかし、E-2ロケットの革新性と高性能により、製造はそれほど簡単ではありませんでした。ターボポンプは、そのインペラも含めて、特に難しいものです。ランチャー社の創設者兼 CEO であるマックス・ハオット氏は、プロジェクトの難しさについて次のように説明しています。「軌道に乗せることができる液体ロケットエンジンを見てみると、ターボポンプはプロジェクトで最も難しい部分の一つ、少なくとも課題の半分を占めています。多段燃焼クローズドサイクル用のターボポンプとなると、課題はさらに大きくなります。」
このプロジェクトでは金属積層造形法が選ばれましたが、ロケットエンジンの高性能レベルではミスは許されません。ハオット氏はさらに次のようにコメントしています。「これがいかに重要かを強調したいと思います。私たちは液体酸素を扱っており、インペラは毎分30,000回転で回転し、タービンから約1MWの電力を生成しています。このような環境、つまり4000psiの排出圧力では、ローターとステーターの間に何らかの異常や摩擦が生じると、即座に、急速で、予期せぬ機械的崩壊を引き起こす可能性があります。」したがって、革新的な技術が鍵となります。
△ E-2エンジンに液体を供給する液体酸素ポンプの渦巻き部分（写真提供：ランチャー）
そこで Launcher は Stratasys Direct Manufacturing に依頼し、Velo3D の Sapphire® ソリューションを使用してバランスの取れたインデューサーインペラを独自に作成しました。この重要な部品は液体酸素を加速して燃焼室に送り込み、流体の流れを増大させてロケットの推力を高めます。具体的には、 E-2のインペラは、2 つの別々の 3D プリント部品 (インデューサーとインペラ) を 1 つの共同接続された高効率コンポーネントに統合することによって作成されました。選択された材料は、低温での優れた機械的強度と優れたLOX適合性を備えた耐腐食性材料であるINCONEL 718です。
なぜ金属積層造形を選ぶのでしょうか?
もちろん、Launcher がエンジンの製造に他の技術を選択できたのであれば、なぜ金属積層造形、特に Velo3D のソリューションを採用したのでしょうか?これは主に、金属 AM には、特にコスト削減と設計の自由度という点でいくつかの利点があるという事実に起因しています。ただし、どんな解決策でもうまくいくわけではありません。さらに、積層造形技術の選択は製造要件によって決まりました。部品は内部サポートや傾斜を付けて製造することができなかったため、 Stratasys Directはサポートなしで部品を印刷できる Velo3D Sapphire® システムを選択しました。
特に、平らに印刷できることはチームにとって非常に重要でした。印刷中に部品を傾けると、バランスの取れた回転部品を実現できなくなるためです。これは他のソリューションでは不可能です。通常、内部サポートを回避するには、ユーザーはパーツを傾ける必要があります (これは、多くの金属 3D 印刷ソリューションの多くの複雑な形状に必要です)。しかし、Sapphire® システムではそうではありません。
前述のとおり、Velo3D のソリューションは設計の自由度が高いため、積層造形において独自の存在であり、同社のキャッチフレーズ「妥協することなく、必要な部品を印刷する」と一致しています。この自由度は、Velo3D が Flow™ 印刷準備ソフトウェアや品質検証用の Assure™ ソフトウェアなど、高度で完全に統合された金属積層造形ソリューションを提供していることなど、さまざまな要因の結果です。さらに、0 度までの低角度での印刷も可能です。最後の部分は、この部分が平らに印刷できることを意味するため、ランチャーにとって特に重要です。
△画像説明: Launcher の 2 つのサファイアプリンター (画像提供: Launcher)
部品を傾ける必要がある場合、構築プロセス中に応力が蓄積されて質量に影響し、バランスの取れた回転アセンブリの作成が妨げられる可能性があることを考慮してください。 Stratasys Direct によれば、 Velo3D システムを使用すると、最終部品を損傷する可能性のある内部サポートを必要とせずに、インペラを理想的な向きで印刷することが可能になります。「部品を平らに印刷することで、回転中心軸の周りで対称的な質量分布が得られます」と、ランチャー社の機械エンジニア、アンドレ・イヴァンコビッチ氏は説明する。
金属積層造形の検証結果は何ですか?
製造された部品は、アプリケーション用に完成する前に、包括的でカスタマイズされた後処理操作と検証手順を必要とします。これを実現するために、StratasysDirect は、認定された熱処理を実行する前に、コンポーネントを部分的に機械加工して内部チャネルからすべての粉末を除去します。次のステップは、熱処理の前に、インペラが材料の密度と完全性の要件を満たしていることを確認することです。
Stratasys Direct の付加製造の専門知識と厳密な二次後処理を Velo3D のサポートフリー印刷機能と組み合わせることで、非常に複雑で機能的な部品を正常に構築できるようになりました。これまでのところ、テストは成功しています。実際、ランチャー社は最近、NASA のステニス宇宙センターでのイベントで、米国宇宙軍向けの E-2 エンジンターボポンプのテストに成功しました。 E-2 テストチームは、11 回のテストを通じて、すべての電力、入出力圧力、効率、振動の目標を達成または上回ることができました。 Velo3D の Sapphire® ソリューションを使用して E-2 液体ロケットエンジンがどのように製造されたかについては、こちらで詳しく知ることができます。

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