コスト効率の高いロケット打ち上げ・輸送サービスを提供するタイハン・エアロスペースは、完全3Dプリントロケット製造を目指している。

出典: 36Kr

航空宇宙産業の発展において、コストと効率は常に問題点となってきました。商業宇宙飛行の重要性は、安全で極めて低コストのロケットを迅速に市場に提供し、多数の組織や個人が手頃な価格で宇宙輸送サービスを利用できるようにすることです。航空宇宙製造コストを削減するための重要な技術は 3D プリンティングです。 3Dプリンティングにより、ロケットの研究開発のペースは大幅に加速されます。部品をバッチで供給するには、部品の大量供給の効率を迅速に向上させるために、垂直生産モデルの構築と効果的なコスト管理も必要です。

2021 年 3 月に設立された Taihan Aerospace は、一連の液体燃料ロケットの開発と、費用対効果の高いロケット打ち上げおよび輸送サービスの提供に取り組んでいます。 Taihan Aerospace は、3D プリント技術に重点を置き、コストを厳密に管理しながら迅速かつ安全な軌道投入を実現することを目標に、ロケット部品の完全な産業チェーン生産ラインを確立して迅速な反復研究開発モデルを実装しました。

△ロケット計画パラメータ、画像提供：Taihan Aerospace
3Dプリントエンジン

Taihan チームは、ロケット製造、3D プリント、材料科学、IT などの分野での経験を持っています。タイハンはコストを極限まで削減するため、ロケット部品の90％以上を自社工場で原材料から直接完成品まで3Dプリントする計画だ。タイハンは、新しい技術と垂直統合型ビジネスモデルを通じて、ロケットの調達コストを業界平均の5分の1以内に抑えることを目指しています。

輸送手段の発展においては、動力が第一であり、ロケットエンジン技術はロケット企業の中核技術です。

タイハンは、液体酸素と灯油を推進剤とするYI液体ロケットエンジンを開発している。高圧再生サイクル技術を採用し、エンジン性能を向上させた。先進的なアーキテクチャと性能指標を備え、民間航空宇宙で一般的に使用されているガス発生サイクル技術よりも高く、国内の主力ロケットエンジンの性能に匹敵する。現在、V1エンジンの推力は海面で20トンです。正式に使用される際には、V2バージョンは30トンに最適化され、次世代のGiant Antエンジンでは海面での推力を200トンに増やす予定です。

Yi エンジンのすべての部品は 3D プリントされており、1 つのエンジンを 30 日以内に製造できるため、開発とテストのサイクルが大幅に短縮されます。 3Dプリント技術により、Yiエンジンは従来の技術で製造されたエンジンよりも部品点数がはるかに少なくなり、取り付けが簡単になり、構造の最適化も容易になりました。

△易計画パラメータ、画像出典：泰漢航空宇宙
3Dプリンター

3Dプリント用ロケットエンジンの特殊な要件に応じて、Taihan 3Dプリントチームは専用の金属3DプリンターS480を設計・製造し、サポートする3Dプリントソフトウェアと3Dプリントプロセスを開発しました。西安に3Dプリンター生産ラインが設立され、3Dプリンターの全機デバッグが進行中です。タイハンはS480に加え、ロケット本体を印刷するためのW450ロケット3Dプリンターも開発している。このプリンターは自社開発のソフトウェア、プロセス、特殊合金を使用しており、印刷されたロケット本体はロケット打ち上げの要件を満たすことができます。タイハンの上海工場ではロケット製造の生産ラインを構築中。この3Dプリンターを使えば、3ヶ月以内にロケット本体一式が製造される予定。

タイハンは設立後2年以内に最初の打ち上げ試験を完了し、その後は迅速な反復作業を通じて早期の軌道投入を実現する計画だ。ロケットが実験室でのテストに費やす時間を短縮し、実際の飛行テストを通じてデータを取得し、改善および最適化します。タイハンは、3Dプリントロケットエンジン、3Dプリントロケット本体構造、サーボ機構、慣性グループ、回復可能な制御システムなどの製品を弾道空間で検証する予定です。計画によれば、最初の3Dプリントエンジン部品は予燃焼室であり、最初の3Dプリントロケット本体構造はロケットの第2段タンク間セクションです。ロケット本体やロケットエンジンに加え、慣性航法部品、サーボ機構、センサー、産業化飛行制御システムなどロケットの主要部品の研究開発も順調に進められています。

同時に、タイハンは金属3Dプリントサービスの価格を透明かつ手頃な価格にし、さまざまな業界での3Dプリント技術の導入を促進するために、オンライン金属3Dプリントモールを構築しています。将来人類が月や火星に基地を建設する際、3Dプリント技術は非常に有用な建設ツールとなるでしょう。

3D プリント技術と垂直ビジネスモデルの使用により、ロケット製造コストを大幅に削減できます。ロケットと3Dプリント事業の研究開発と工場投資について、タイハンは初期投資総額は約6億人民元と見積もっており、ロケットは2024年に軌道に乗ることに成功している。 2023年には3Dプリントサービスを活用することで先行して営業利益を獲得できる。

最初のロケットと将来の計画

飛天はタイハン初のロケットモデルで、第1段には9基のYiエンジンを搭載し、第2段には1基のYi真空バージョンを採用しています。このロケットは離陸推力270トンで、LEOペイロード容量4トンを提供できます。 3Dプリント技術と垂直型ビジネスモデルに基づき、新型宇宙ロケットの調達コストは1,000万人民元レベルに抑えられると予想されている。リサイクル技術と組み合わせることで、ロケット1機あたりの調達コストが低減します。

軌道投入能力を獲得することは、タイハンがその後の計画を成功裏に実行するための第一歩です。タイハンは技術革新を通じて主要設備を開発し、ロケット産業チェーン全体（設計、製造、テスト、打ち上げ）に独自の産業オートメーション生産ラインを構築し、コストを大幅に削減し、サイクルを短縮します。 Taihan は迅速な反復的な研究開発を提唱し、計画された複数回のテストと試行錯誤を通じて、研究開発サイクル、パフォーマンス、セキュリティを極限まで高めています。液体燃料ロケットにより、コスト効率の高い小規模専用ロケット打ち上げサービスと大規模複合ロケット打ち上げサービスを向上させることができます。

今後、タイハンは、より大きな推力を持つエンジンや、より大きなペイロードを運ぶことができるロケット、貨物や有人宇宙船を製造し、宇宙ステーション貨物、宇宙観光、宇宙ホテル、宇宙ガソリンスタンド、月面基地、火星基地の建設のための輸送サービスを提供し、安定的かつ安全で手頃な価格の宇宙輸送サービスを提供します。タイハンは2023年までに弾道飛行検証が可能なロケットとエンジンを開発する予定だ。

業界の状況

世界の民間航空宇宙産業では、ほぼすべての新興企業が 3D 金属印刷技術を検討または研究しています。 3D プリントは、複雑な構造を製造するために必要なナット、ボルト、溶接が少なくなるため、ロケットの重量を軽減するのに役立ちます。また、RUD（急速な計画外の崩壊）によりエンジンが故障した場合、エンジニアはモデルを修復して再度テストするのに数日しかかかりません。

商業航空宇宙のリーダーである SpaceX を例に挙げてみましょう。SpaceX は、2014 年に Dragon 3 航空機で初めて 3D プリント部品を使用しました。最初の 3D プリント部品は、ロケットエンジンのメイン酸化剤バルブでした。このバルブを手作業で製造して設置するには 2 週間以上かかります。 SpaceXは3Dプリント技術を使用して、わずか2日間でバルブを製造しました。 SpaceX Genius 3D は現在、SpaceX の迅速な製造のための中核ツールにもなっています。 SpaceX向けの金属3DプリンターメーカーであるVelo3Dは、2021年3月にニューヨーク証券取引所に上場しました。

SpaceXに加えて、ニュージーランドのRocket Lab、米国のRelativity Space and Launcher、英国のSkyroraとOrbexも、3Dプリントの分野で業界で広く注目を集めています。 2017年、Rocket Labは3Dプリントエンジンを搭載したロケットの打ち上げに成功し、2019年7月には3Dプリントエンジン100基の製造という節目に到達しました。 Relativity Spaceのアイデアはもっと前衛的です。同社は、手作業による組み立てを一切行わずに、3Dプリントでロケット全体を直接印刷したいと考えています。オーベックスは早ければ2022年に3Dプリントエンジンを使ったロケットを打ち上げることを目指している。

民間航空宇宙企業に加えて、多くの国営航空宇宙部門やユニットも 3D プリント技術の開発を積極的に進めています。主な理由は、大型ロケットは特に部品点数が多いためであり、3Dプリントによって工程数を削減できれば、ロケットの製造効率が大幅に向上する。 1969年、アメリカが月面着陸に使用したサターンV型F-1エンジンには5,600個の製造部品がありましたが、アポロF-1エンジンが3Dプリント技術を使用して再設計されたとき、製造部品の数は40個にまで削減されました。

中国では、2000年頃、中国航空科学技術公司第六科学院の7103工場が3Dプリント技術の導入を開始し、中国の新世代液体酸素および灯油ロケットエンジンの急速な開発のために選択的レーザー焼結（SLS）装置と技術を導入しました。 2016年、長征5号が初の飛行に成功し、ファクトリー7103の3Dプリント製品が長征5号とともに宇宙に登場しました。これまでに、7103工場の40以上のモデルの240以上の代表的な製品に3Dプリント技術が使用され、製品は50回以上の打ち上げと飛行テストに成功しました。

△ Relativity Space の Stargate 3D プリンター、画像提供: Relativity Space

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