年次概要: 2021 年の中国航空宇宙産業における 3D プリント技術の応用トップ 10

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

2021年、中国の宇宙産業は本格的に発展し、宇宙ステーションの建設や火星への探査機着陸などで大きな成功を収め、50回以上の打ち上げは世界一となり、中国の年間記録を更新した。商業航空宇宙分野では、Deep Blue Aerospace、One Space、Interstellar Gloryなどの企業が活躍しており、そのパフォーマンスも同様に目を引くものとなっている。 3D プリント技術は、この分野で引き続き重要な役割を果たしています。今号の 3D Printing Technology Reference では、今年の航空宇宙分野における 3D プリント技術の応用についてまとめています。

1.ゼロワンスペースOS-X6Bロケットが3Dプリント姿勢制御電源システム製品を使用して初めて飛行し、テストは完全に成功しました

2021年2月5日、ゼロワンスペーステクノロジーグループ株式会社が自主開発したOS-X6B新型インテリジェント弾道ロケット、「重慶両江の星」が北西部の発射場で無事に打ち上げられ、テストペイロードの分離も成功し、飛行は最初から最後まで正常でした。このロケットは、航空宇宙技術の検証に特化した専用の飛行試験プラットフォームであるOneSpaceのOS-Xシリーズの商用ロケットです。OS-X6Bロケットは、飛行に3Dプリントされた姿勢制御推進システム製品を使用する最初のロケットです。

ゼロワンスペース OS-X6B ロケットおよび姿勢制御電源システム

ゼロワンスペースが独自に開発した姿勢制御電力システムは、さまざまな機能部品を接続する従来のパイプラインを排除し、チタン合金3Dプリント技術を革新的に応用し、特殊形状のガスシリンダーをベースとしてシステム設計を統合し、内部循環チャネルを事前にプレファブリケーションすることでパイプライン部品を削減しました。従来のパイプライン接続ソリューションと同じ機能を実現しながら、システム全体の重量は34.38％削減され、質量は10kgを超えません。システム構造の信頼性が大幅に向上し、3000gの衝撃環境条件下でも優れた適応性を備えています。

2.航空宇宙エンジン「燕宇1号A」のロケットエンジンのコア部品はすべて3Dプリントプロセスルートを使用して製造されています

2021年4月23日、航天エンジンが独自に開発した「燕宇-1A」液化酸素灯油エンジンが協調高温試験に成功したと中国航天新聞が報じた。「燕宇1号」シリーズのエンジンのコア部品である推力室やガス発生器などは、すべて3Dプリントプロセスルートを採用しており、設計の柔軟性と製造効率が大幅に向上し、小型ポンプ式ロケットエンジンの開発サイクルとコストが大幅に削減されます。

Yanyu-1Aエンジン（出典：中国航空宇宙ニュース）

「燕宇1」シリーズのエンジンは、米国ロケット研究所社の「エレクトロン」ロケットの「ラザフォード」エンジンと比較すると、バッテリーやモーターなどの部品を大量に節約し、ロケットとエンジンの自重を減らし、エンジンの比推力は「ラザフォード」エンジンより大幅に高く、ロケットの積載量を効果的に向上させることができる。現在、中国には成熟した2T級推力ロケットエンジンがない。本モデルは、ガス発生器熱サイクルに基づく2T級液体酸素-ケロシンエンジンのフルシステム検証を初めて実現し、中国におけるこのモデルのギャップを埋め、中国の航空宇宙液体動力に有益な補足を提供し、中国の商用航空宇宙分野に新たなパワースペクトルを追加する。また、ロケット打ち上げのコスト削減と技術開発を促進し、将来の商用航空宇宙と各種航空機の選択肢を増やすことができる。

3. 中国の宇宙ステーション関連の研究開発では金属3Dプリント技術が広く利用されている

2021年4月29日北京時間、中国の宇宙ステーションコアモジュール「天河」が無事に打ち上げられ、ついに所定の軌道に入った。計画によると、宇宙ステーションのドリームモジュールは来年打ち上げられる予定だ。 3D Printing Technology Referenceは、中国宇宙科学院から、孟天カプセルの重要な構造部品であるガイドレールブラケットが3Dプリントされた薄肉スキンラティス構造を採用していることを知り、Polyliteがこの部品の初期サンプルの試作に参加した。設計された格子ユニットはBCC形式です。ガイドレールブラケット全体には合計11個のブロックがあります。各構造ブロックはBLT-S510によって一体成形され、つまり内部格子構造と外部スキン構造が同時に印刷されます。単一ピースの最大サイズは400mm×500mm×400mmです。単一ピースの印刷時間は約150時間です。印刷後、アセンブリとスプライシングの最大サイズは2000mmに達します。

3Dプリントされた皮膚の格子構造（概略図）

スキンラティス構造は、宇宙船の構造製品に広く利用されてきました。 3Dプリンティング技術リファレンスはまた、機械工学ジャーナルから、第五航空宇宙科学技術アカデミーが設計した三次元格子階層構造に包まれた密閉スキンを備えたデバイスサポート構造が、従来の設計および製造方法を使用した構造よりも46.4％軽量であることを学びました。実際の構造は、特定のタイプの衛星ペイロードサポートミッションに適用されています。 3次元格子を包み込む密閉スキンの構造形態は、ブラケット型構造の設計効率を効果的に向上させることができ、軽量宇宙船構造の推進と応用に有望な見通しを持っています。

4. 「天問1号」と「珠容火星探査車」が火星着陸に成功、3Dプリントが重要な役割を果たした

2021年5月15日北京時間午前8時20分頃、中国初の火星探査機「天問1号」が火星北半球のユートピア平原への着陸に成功した。中国航天科技集団によると、中国宇宙科学技術研究院529工場は嫦娥シリーズや火星探査車など新世代の軽量宇宙船の開発ニーズを満たすため、3Dプリント技術の研究と応用を積極的に進め、良好な成果を上げている。同工場の研究者らは、従来の鋳造や鍛造製品と比較して、3Dプリント製品の開発サイクルが大幅に短縮され、機械的特性も向上すると紹介した。

天問1号探査機の着陸の様子（出典：中国宇宙技術研究院）

天問1号探査機では、第六航空宇宙科学技術アカデミーが着陸機と周回機の推進サブシステムを開発し、合計48基のさまざまなサイズのエンジンを搭載して納入した。そのうち、着陸機とローバーの主エンジンとして機能する7500N可変推力エンジンは、製造プロセスで3Dプリント技術を使用することで、重量と体積が従来のエンジンの3分の1にまで削減され、構造がより最適化されコンパクトになるなど、重要な利点を実現しました。エンジンのドッキングフランジフレームにも初めて3Dプリント技術が採用されています。一度にプリントすることで、元のソリッドバーや鍛造品を大量に除去することによる変形を回避し、エンジンと全体構造のドッキングの品質安定性も確保します。

5. 長征2Fロケットが神舟12号有人宇宙船を打ち上げる。3Dプリントでロケットエンジンの信頼性が向上

6月17日、長征2号F堯12号運搬ロケットは、聶海生、劉伯明、唐紅波の3名の宇宙飛行士を乗せた神舟12号有人宇宙船を宇宙に運び、我が国の宇宙ステーションに着陸した。ロケットに使われる中核となる第1段エンジン、第2段エンジン、ブースターエンジンを生産する中国航天科技集団第六学院7103工場は、必要な部品の製造に3Dプリント技術を採用し、エンジンの信頼性を高め、効率と速度の両方を向上させた。

エンジン推力室仕切り補強リブの工程改善は、このロケットを支えるエンジンの16の工程状況変化の中で最も代表的なものの一つです。 3Dプリント技術の応用により、補強リブ製品の加工方法において「二重の革新」が実現しました。一方では、プロセス製造技術の革新が実現し、従来のプロセス製造の難点を打破し、構造上の制限による製品合格率の低さの問題を解決しました。他方では、効率的、迅速、環境に優しい製造モデルの革新が実現し、従来の製造モデルの生産効率の低さのボトルネックを打破し、廃液、粉塵、臭気などのさまざまな環境問題を解決し、複雑な形状と安定した性能を備えた製品を直接製造できるようになりました。従来の鋳造品と比較して、この製品は寸法精度と安定性が高く、その性能指標の多くは従来の鋳造品の過去最高値に近いか、それを上回っています。 7103工場の積層造形イノベーションセンター所長のヤン・ファンチン氏は、「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、補強リブの製造サイクルが75％短縮され、合格率が20％未満から98％に増加し、コストが30％削減されました」と指摘した。

6. インターステラーグローリーハイパーボラIIとIIIロケットはどちらも3Dプリント技術を採用

6月のInterstellar Gloryによると、同社のHyperbola-3液体輸送ロケットは、全体計画の実証段階から正式にモデル開発段階に入った。このロケットは、現在中国で知られている中で直径が最も大きく、積載能力が最も強く、ペイロード1キログラムあたりの打ち上げ価格が最も安い再使用型液体燃料ロケットであり、商業打ち上げ市場における打ち上げミッションの主力モデルとなるだろう。ハイパーボラ3号には数多くの先進技術が採用されており、その中でも軽量構造設計技術は、3Dプリント、複合材料、非火工品分離、構造統合設計、改良されたペイロード設計などの対策を採用することで、ロケットの構造効率を向上させ、第一段回収条件下での積載能力を高めています。

ハイパーボラIIロケットのグリッドラダーは、全体的な3Dプリント技術を使用しています

7月、インターステラー・グローリーは、ハイパーボラ2再使用型ロケットのグリッド・ラダー・サブシステムの地上検証試験を実施したと発表した。試験プロセスはロケット飛行ミッション全体を網羅し、完全な成功を収めた。グリッドラダーはロケット飛行姿勢制御装置です。垂直回収型ロケットに完全に再利用可能なグリッドラダーシステムを設計し実装することは、大きな技術的課題です。研究開発チームはミッション要件に基づいて、マルチスキームの比較と最適化、空力と熱のシミュレーション、構造と電気の統合設計、複雑な環境適応性分析、全体的な3Dプリントなどの設計と製造の課題を大胆に革新し、完了しました。

7. 最大サイズ0.6×0.6×0.6mの3Dプリントは、我が国の民間ロケットDeep Blue Aerospaceの製造プロセスに大きな影響を与えました。

2021年7月、ディープブルー・エアロスペース社の「ネビュラM」1号試験ロケットは、陝西省銅川市のディープブルー・エアロスペース試験基地で、垂直離陸と垂直着陸（別名「バッタジャンプ」）の初の自由飛行試験を完了した。初の飛行試験ミッションは完全な成功だった。「ネビュラM」1号試験ロケットには、ディープブルーエアロスペース社が独自に開発した「サンダー5」液体ロケットエンジン（LT-5）が搭載されており、3Dプリンター技術を用いて製造された国産初のピントル型電動ポンプ式液化酸素灯油エンジンとなる。

DeepBlue Aerospace 3Dプリントロケットエンジン部品

LT-5エンジンは3Dプリント技術を広範に活用し、先進的な印刷設備を使用してニッケルベースの高温合金粉末材料の高強度、延性、耐破壊性、低変動性を最大限に引き出し、従来のロケットエンジン製造モデルにおける生産効率の低さ、複雑なプロセスルート、長いサイクルなどのボトルネックをうまく打破しました。現在開発中の新型エンジンにも、実績のある3Dプリント技術と後処理プロセスが採用されており、新たに納入されたエンジン構造部品の最大サイズは0.6×0.6×0.6mに達します。当社は、一連の研究開発テストを通じて、3Dプリント粉末の選択、積層造形成形性制御、積層フローチャネル構造の表面の高品質研磨フロー仕上げなど、いくつかの重要な技術を独自に習得しました。当社は、多列表面、マルチキャビティチャネル、再生冷却チャネルなどの複雑な精密部品の積層造形研究開発能力を備えています。

8. 中国航天科技集団第2号が3Dプリント技術を活用した航空機開発で重要なマイルストーンを達成

8月27日、中国航空宇宙科学産業公司第二研究院第二部は、ある種の航空機製品の複雑な構造の3Dプリント統合製造を実現したと発表し、これは航空宇宙分野における航空機開発への3Dプリント技術の応用における重要なマイルストーンであり、航空機の軽量レベルをさらに向上させ、将来の新世代航空機の開発に強力なサポートを提供すると指摘した。

中国航空宇宙科学産業公司第二アカデミー第二部は、ある種の航空機製品の複雑な構造の3Dプリント統合製造を実現しました（出典：中国航空宇宙科学産業公司第二アカデミー第二部）

第二アカデミー第二部は、我が国で最先端の科学技術と研究に従事するために設立された最も古い組織であり、我が国の最も重要なミサイル兵器システムの研究と生産の組織であり、航空宇宙防衛の発展における主導的な組織です。第2部門の専門家は、航空宇宙製品には多くの構造部品があり、生産サイクルが長く、コストが高いことを紹介しました。航空機構造製品の「金型フリー」製造により、生産効率が2倍になり、コストがほぼ半分に削減され、性能が低下しないことが保証されました。これにより、従来の生産モデルにおける処理時間の長さ、品質管理の難しさ、高コストの問題が解決されました。3Dプリント統合成形技術を通じて、デジタル製造能力が大幅に向上しました。

9. 星中宇宙の「スマート」宇宙実験衛星は3Dプリントで製造されている

12月17日、ポリライト印刷と星中空間が製造した宇宙実験衛星「凌橋」は、陝西省初の商業ロケット会社である陝西華财達科技が打ち上げた弾道ロケット「華财1号」に搭載され、北西部の試験場で初飛行を無事に完了した。

「スマート」衛星に関連する金属 3D プリント製品 (出典: Polylite)

3D Printing Technology Reference は、金属 3D プリントされた「スマート」衛星が、生物学、医学、材料、エネルギーなどの宇宙実験専用に Star Space によって設計された衛星プラットフォームであることを知りました。今回、ポリライト社は、4枚のパネルと4本の梁を含む「スピリット」衛星のメインフレーム構造の印刷を担当しました。メインフレーム構造の軽量化と高剛性化という技術要件とプロジェクトの緊急ノード要件を満たすために、BLTはAlMgSc高強度アルミニウム合金を原料とし、BLT-S400三レーザー設備を使用して迅速な開発を実現しました。 BLTは生産課題を受けて迅速に対応し、BLT-S400シリーズの3レーザー装置と1台の炉を使用して、総加工時間35時間で成形を完了しました。プロジェクトの緊急性のため、部品は社内で24時間循環され、後処理、機械加工、陽極酸化処理などの処理を経て、締め切り日の午後10時に納品されました。プロジェクトの総サイクルは8日間でした。

10. 第一航空科学技術アカデミー211工場は、高強度アルミニウム合金キャビンの3Dプリント技術を習得することに成功しました。

中国航天科技集団によると、第一航天科技院211工場は2021年に高強度アルミ合金キャビンの3Dプリント技術を習得することに成功した。高強度アルミ合金キャビンセクションは、ファクトリー211の複数の製品モデルに広く使用されています。従来、このタイプのキャビン製品は主に鋳造と鍛造で生産されていましたが、鋳造と鍛造の両方の生産には「欠陥」がありました。主要モデルの予備研究段階で、工場は積層造形法の使用を提案し、設計部門によって承認されました。

しかし、キャビンブランクの重量が重すぎて、アーク添加装置作業台の耐荷重限界を超えてしまいました。研究チームは、作業プラットフォームの構造を独自に研究し、プラットフォームの無駄な重量を取り除き、「タコ」構造ツールを設計・製作しました。これにより、プラットフォームの重量が大幅に軽減されただけでなく、成形部品のサイズも最大化されました。しかし、コンパートメントが棚に置かれるとすぐに問題が発生しました。内壁の特徴的な構造のため、キャビンは成形前に 90 度反転させる必要があります。しかし、キャビンが重すぎるため、横転した際に慣性の影響を受けやすく、位置ずれが生じてしまいます。研究チームは、重量を増やすことなく位置決めとクランプのソリューションを設計し、印刷プロセス中にキャビンセグメントがずれる問題を解決しました。工場はキャビンセグメント製品の3D印刷技術を習得することに成功しました。

終わり

上記のニュースから、2021年に国内の民間航空宇宙分野で3Dプリント技術の応用が非常に頻繁かつ顕著であったことがわかります。関連企業は、自社の先進技術の応用を喜んで強調しています。3Dプリントは、民間航空宇宙にとって製品構造の最適化、製品の反復の加速、コストの節約のために無視できない重要な技術となり、その恩恵を受けています。

一方、代表チームの申請は5件あり、さらに詳しい件数はまだ公表されていないが、実際には多数の申請がある。また、中国航空工業総公司瀋陽航空機設計研究所の主任プロジェクト設計者兼3Dプリント専門家である王向明氏が、2021年に中国工程院の院士に選出されたことも、テクノロジー分野における重要な出来事である。

年次概要: 2021 年の中国航空宇宙産業における 3D プリント技術の応用トップ 10

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