3DプリントされたエアロスパイクエンジンがMIRA II宇宙飛行機でテストを完了

2024年12月15日、アンタークティックベアは、ドイツの航空宇宙新興企業POLARIS Spaceplanesが空気圧スパイク駆動のMIRA IIデモンストレーターのローリングおよび飛行テストを無事完了したことを知りました。長さ5メートルの試作機には、POLARIS社の3DプリントAS-1リニア空力スパイクロケットエンジンが使用されています。 MIRA IIは、2028年に飛行運用を開始する予定の本格的なAURORA宇宙飛行機への足がかりとなる。
MIRA IIは、オリジナルのMIRAデモンストレーターが2024年5月の初飛行中に墜落した後に開発されました。その後、新システムは滑走路上で3秒間のエンジン燃焼を完了し、その後バルト海上空での飛行試験に成功した。
無人デモ機は4基のターボジェットエンジンを使用してペーネミュンデ空港から離陸した。点火点に到達した後、MIRA II は1 kN LOX/灯油 AS-1 ガススパイクエンジンの 3 秒間の燃焼を完了し、4 m/s² の加速度と 900 ニュートンの推力を達成しました。
これはリニアエアロスパイクエンジンの初の飛行試験であり、ブレーメンを拠点とする新興企業にとって重要なマイルストーンとなる。
△POLARIS Spaceplanes の将来の空力スラスターのデジタルレンダリング。画像はPOLARIS Spaceplanesより。
3D プリントが POLARIS の空力スパイクスペースプレーンに採用<br /> ベル型のノズルを使用する従来のロケットエンジンとは異なり、エアロスパイクエンジンは、排気ガスを制御するためにくさび形の「スパイク」を使用します。この革新的な設計により、固定ノズルが不要になり、重量が軽減され、効率が向上し、さまざまな高度で推力を連続的に調整できるようになります。
これらの新しいエンジンは飛行中に極端な温度を発生するため、多数の複雑で高度な冷却ダクトが必要になります。この複雑さにより、POLARIS Spaceplanes などのエアロスパイクエンジン開発者は、設計と製造に積層造形を活用するようになりました。
昨年、POLARISはドイツの積層造形企業AM Globalから3DプリントされたAS-1エアロスパイクエンジン2基を受け取りました。これらの初期エンジンは地上テストに使用されましたが、AM Global は MIRA デモンストレーター用に 2 つの軽量飛行テストエンジンも 3D プリントしました。
飛行中の 3 秒間の燃焼中、MIRA II のエンジンは低い室内圧力で作動し、燃料を豊富に含んだ燃焼を実現します。これにより、POLARIS のエンジニアはエンジン部品にかかるストレスを最小限に抑えながらパフォーマンスデータを収集できるようになったと伝えられています。 MIRA IIの搭載カメラはLOXタンク区画に小さな漏れを発見し、3秒間のエンジン燃焼中にタンク区画へのアクセスが失われた。それにもかかわらず、同社は、実証機が安全に着陸し、試験飛行を無事完了したと報告した。
今後、POLARIS は、徹底的な飛行試験プログラムを通じて、3D プリントされたエアロスパイクエンジンの飛行運用能力をさらにテストし、検証する予定です。
POLARIS 社はまた、冗長性を生み出し、テストの柔軟性を高めるために、実証機のツインエンジンである MIRA III の始動にも取り組みます。同社は試験が進むにつれ、エンジン室の圧力を徐々に高め、燃焼効率と推力を最適化する予定だ。
MIRAの追加テストから得られた教訓は、同社の次世代スペースプレーン実証機NOVAに活用される予定だ。伝えられるところによると、この試験機は全長7〜8メートルで、実物大のAURORA機が発表される前の最後のステップとなる。
△POLARISスペースシャトルのMIRA II実証モデル。 POLARIS スペースシャトルからの写真。
3D プリントされた空気圧ピストンエンジン<br /> エアロスパイクエンジンは、1950 年代から従来のロケットエンジンに比べて大きな利点を備えていると認識されてきました。近年、金属付加製造技術の進歩により、これらの高度な推進システムをより効率的に製造するために必要な設計の自由度が実現しました。
△エアロスパイクエンジンの設計。画像提供: モナッシュ大学
2017年、モナッシュ大学、Amaero（モナッシュ大学のスピンオフ）、Next Aero、Woodside Energyが協力して、「Project X」と呼ばれる3Dプリントエアロスパイクエンジンの構築とテストを行いました。エンジンはわずか4か月で設計され、製造されました。
△SLM（タイムラプス撮影）を使用して部品を3Dプリントします。画像クレジット: モナッシュ大学、GIF 提供: Rushabh Haria 「Hasteloy X」は、選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用して EOS M280 3D 金属プリンターで付加製造された高強度ニッケルベースの超合金です。プロジェクトリーダーのグラハム・ベル氏によると、3Dプリントにより、チームは「ノズルの形状」や「埋め込み型冷却ネットワーク」などの独自の設計機能を実現できたという。付加製造により、チームは、従来の製造方法では数か月かかっていたテスト、調整、再印刷が数日で可能な複雑なデザインを作成し、3D プリントできるようになりました。
2年後、フラウンホーファー材料・ビーム技術研究所（IWS）とドレスデン工科大学の航空宇宙工学研究所（ILR）が協力し、3Dプリント技術を使用して空力スパイクエンジンの設計を進化させました。チームは推力500ニュートンの3Dプリントエアロスパイクエンジンを製作した。しかし、テスト中に冷却システムと燃料噴射に問題が発生しました。
2022年、エンジニアリング設計ソフトウェアの専門企業Hyperganicは、同社が世界最大であると主張する3Dプリントエアロスパイクエンジンを開発した。ミュンヘンに拠点を置く同社は、数百種類の設計案を考案し、そのうちの 1 つはサポート構造のない EOS M 400-4 システムでインコネル 718 で 3D プリントされました。次に、AI アルゴリズムを使用して、より大型の AMCM M 4K 3D プリンターで CuCrZr を使用して 3D プリントする部品を自動的に再設計しました。
△AMCMとHyperganic 3DプリントAerospikeエンジン。写真はマイケル・ペッチによるものです。

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