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南極のクマの紹介: 周知のとおり、ロケットなどの大型機器の開発・製造をはじめ、航空宇宙分野での 3D プリント技術の応用は当たり前のものとなっています。世界中でどれだけのロケットメーカーが 3D プリント技術を採用しているかご存知ですか?彼らの製造レベルはどの程度ですか?ほとんどの航空宇宙関連企業が、完全に 3D プリントされたロケットを実現するための関連研究を開始していることを知っておく必要があります。 Antarctic Bearでは、国内外の3Dプリントロケットエンジンの事例をまとめて参考として掲載しています。
1. 中国ディープブルーエアロスペース
2021年7月、ディープブルー・エアロスペースのネビュラM1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、ネビュラM1号試験ロケットの初の垂直離陸・垂直着陸（VTVL）自由飛行試験（別名「バッタジャンプ」）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。
今回飛行した「Nebula-M」1号試験ロケットには、Deep Blue Aerospace社が独自に開発した「Thunder-5」液体ロケットエンジン（略称：LT-5）が搭載されており、3Dプリント技術を用いて製造された中国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。 「雷5号」液体ロケットエンジンの最大真空推力は50kNで、エンジンは50%～110%の推力範囲調整を実現できます。同時に、LT-5は電動ポンプを使用して推進剤の流量を調整し、ピントルインジェクターは異なる作業条件下でも自動的に安定した燃焼を維持できます。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600mm×600mm×600mmに達します。
2. マスクのスペースX
2017年1月14日（現地時間）、SpaceXはカリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地でファルコン9ロケットの打ち上げに成功した。このロケットでは、重要な酸化剤バルブ本体を含む多数の3Dプリント部品が使用されており、3Dプリントバルブ本体は高振動条件下で高圧液体酸素の正常な動作に成功した。従来の鋳造品と比較して、3D プリントされたバルブ本体は、優れた強度、延性、耐破損性を備えています。通常の鋳造サイクルは数か月かかりますが、3D プリントされたバルブ本体は 2 日で完成しました。設計は迅速に反復されるプロセスであり、SpaceX に時間の節約と設計の迅速な最適化という優れた利便性を提供します。
SpaceXは、ファルコン9ロケットに加え、2013年にニッケルクロム高温合金材料を使用して、EOS金属3Dプリンターでスーパードラコロケットのエンジン室を製造することに成功しました。従来のエンジン製造技術と比較して、積層造形法を使用すると、ロケットエンジンの納期を大幅に短縮し、製造コストを削減できるだけでなく、「高強度、延性、耐破壊性、材料のばらつきが少ない」などの優れた特性も実現できます。これは非常に複雑なエンジンで、製造が難しい冷却通路、インジェクター、スロットル システムがすべて備わっています。非常に高強度の先進合金を印刷できる EOS の能力は、SuperDraco エンジンの開発の鍵となりました。
3. 中国航空宇宙第六アカデミーによるロケットエンジン推力室仕切り補強リブの積層造形
2021年6月17日、長征2F堯12号ロケットが、3人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ました。国内唯一の大規模液体ロケットエンジン研究・生産工場である7103工場では、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し、3Dプリント技術を使って関連部品を製造し、エンジンの信頼性を高め、効率と速度の両方を向上させました。
7103工場付加製造イノベーションセンター所長の楊煥清氏は、エンジン推力室仕切り補強リブもその一つであると紹介した。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。この製品はこれまで、29 のプロセス ステップ、多数のサポート機器、高い依存性を伴い、合格率が 20% 未満の精密鋳造プロセスを使用して製造されていました。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、補強リブの製造サイクルが 75% 短縮され、合格率が 98% に向上し、コストが 30% 削減され、製品の多くのパフォーマンス指標が従来の鋳造の過去最高値に近づいたり、それを上回ったりしました。
4. NASA 3Dプリント銅合金燃焼室高強度耐水素合金ノズル
NASAは2020年12月9日、3Dプリントされた銅合金燃焼室と高強度耐水素合金ロケットエンジン部品が23回の点火テストに合格したと公式声明を発表した。 NASAは、2020年11月に一連の火災試験を実施した後、積層造形された2つのエンジン部品（銅合金の燃焼室と高強度の耐水素合金製のノズル）が、飛行中に従来製造された金属構造物が経験するのと同じ過酷な燃焼環境に耐えられることを確認しました。
NASA は、DED 指向性エネルギー堆積積層造形プロセスを使用して、GRCop-42 銅チャンバーの後端にバイメタル材料を堆積し、高強度鉄ニッケル超合金軸ジョイントを備えたロケット推力チャンバーノズルを形成して連続冷却を実現し、ボルト接続設計のいくつかの設計上の課題とインターフェースの問題を解決しました。その後、推力チャンバーアセンブリ (TCA) 全体が炭素繊維ポリマーベース複合材 (PMC) オーバーラップで覆われました。
NASA がロケット推進室の燃焼室の製造に使用した銅合金 GRCop-42 は、電気伝導性、熱伝導性、強度に優れた合金で、燃焼室のライニングに使用されることが期待されており、燃焼室の熱い壁を高強度の温度ゾーンに保つための効率的な壁面冷却をもたらします。 NASA は、密閉壁の銅合金ライニングを製造する能力を開発し、複合材をチャンバージャケットとして実現可能かつ望ましい選択肢にしました。
5. スカイルート・エアロスペース（インド）、完全3Dプリントの極低温ロケットエンジン
2020年9月28日、インドの著名なロケット科学者であるサティシュ・ダワン博士の生誕100周年に、スカイルート・エアロスペースは100%3Dプリントされたインジェクターを搭載した初のロケットエンジン「ダワン1」を打ち上げ、ビクラムIロケットでテストに成功しました。
Skyrootは2018年に設立され、そのチームは以前インド宇宙研究機関（ISRO）で働いていたロケットエンジニアで構成されています。スカイルートは現在、初のヴィクラムIロケットの開発に注力しており、3Dプリントもロケット製造技術全体の重要な部分となっている。同社は、3Dプリント技術によりエンジンの重量を50％削減し、製造に必要な部品を減らし、製造のリードタイムを80％短縮できると主張している。
スカイルートは次に、開発中のロケットの2段目を完成させて試験発射する予定だ。同社はまた、次世代の打ち上げロケットであるヴィクラム2号とヴィクラム3号も同時に開発しており、これらは2022年から2023年の間に発売され、既存の大型ライドシェアロケットとコスト競争力を持つようになる予定だ。
△ スカイルートのエンジン全シリーズ。従来の製造方法に比べ、複数回の再起動が可能で、1回のミッションでさまざまな衛星を複数の軌道に投入できます。 3Dプリント技術による3Dプリント注射器の製造に関しては、スカイルートは3Dプリントプロセスで金属に加えて特殊材料も使用しています。スカイルートは、3Dプリントをヴィクラム2ロケットに適用することを期待しています。
6. ドイツ航空宇宙センター 3D プリントロケットインジェクター<br /> 液体酸素/灯油エンジンインジェクター部品に関しては、2018年に早くもドイツ航空宇宙センターDLRが3D SystemsカスタマーイノベーションセンターCICと協力し、新たな性能を実現する3Dプリントインジェクターを設計しました。ロケットエンジンのインジェクターは、燃料と酸化剤が燃焼室に入る部分です。優れた液体ロケット燃料噴射装置は、特定の方法で成分を押し出し、それが霧化され適切に混合されるようにして、ロケットを動かすために必要な燃焼を生み出します。 DLR は金属 3D プリントを使用することで、同軸インジェクターの設計方法に革命をもたらし、複数のコンポーネントの必要性を排除し、製造時間とコストを大幅に削減することができました。部品数を 30 個から 1 個に減らすことで、重量が 10% 軽減され、締結箇所の既知の故障点が排除されるため、関連する品質管理措置が軽減され、システム パフォーマンスが向上します。
DLR ロケット インジェクターの最終コンポーネントは、酸化および腐食に強いクロム - ニッケル - インコネル合金である LaserForm® Ni718 (A) を使用して、3D Systems ProX DMP 320 金属プリンターで印刷されました。この材料は、700 °Cまでの温度でも優れた引張強度、耐疲労性、耐クリープ性、長期強度を備えているため、高温用途に最適です。
金属 3D プリントにより、航空宇宙センターは同軸注入技術とデュアル渦流インジェクター要素を使用して、インジェクター ヘッド内の酸化剤と燃料の混合を最適化できるようになりました。 2 つの異なる冷却方式が採用され、それぞれ最小フィーチャ サイズが 0.2 mm、最大長さ/直径比が 45 の細いチャネルが使用されました。この設計では、インジェクター ヘッドのフィルム敷設機能も統合されているため、エンジニアはインジェクターでフィルムの質量流量を直接調整できます。
7. ベゾス ブルーオリジン BE-4 ロケットエンジン
アマゾンのCEOジェフ・ベゾス氏が設立したブルーオリジンは、注目を集めるスペースXとは異なり、BE-4ロケットエンジンを秘密裏に開発してきた。 2016年初頭、ブルーオリジンは2回連続で垂直に打ち上げ・着陸に成功した初の商用ロケットとなり、ロケットリサイクルで再びスペースXを打ち負かした。
具体的には、Blue Origin は 3D プリント技術を使用して、BE-4 ロケット エンジンのケース、タービン、ノズル、ローターを印刷します。 BE-4は液化天然ガスを燃料とする新世代ロケットエンジンです。
ジェフ・ベゾス氏は、メインポンプによる推力に加え、BE-4は液体酸素と天然ガスを混合する複数の「ブースト」ターボポンプを通じて50万ポンドの推力も提供すると述べた。3Dプリントはエンジンの製造において重要な役割を果たしている。さらに、ブルーオリジンの新世代ロケットエンジンBE-4の中核部品であるOBPブーストポンプの第2世代のテストが行われており、ユニットの組み立てが完了し、BE-4エンジンのテスト用に取り付けられる予定です。 BE-4は弾道飛行試験プログラムを継続しており、BE-4により米国のロシア製RD-180エンジンへの依存がなくなると期待されている。
8. 欧州宇宙機関 3Dプリントロケットエンジン燃焼室
2019 年 2 月 18 日、欧州宇宙機関 (ESA) は、3D プリントされた燃焼室を備えた BERTA ロケット エンジンを、基準揚力 2.45 kN (550.78 lbf) でテストしました。 BERTA は、大型エンジン用の 3D プリント ETID (エキスパンダー サイクル テクノロジー統合デモンストレーター) と考えられています。
△BERTA燃焼室デモンストレーター点火試験 出典：ESA
ETID は、次世代の 10 トン ロケット エンジンの先駆的な技術キャリアであり、その一部は、アリアネ 6 の動力源である既存のヴィンチ エンジンのアップグレードにも使用できます。 ESA は、この最初のテストに合格したことは、ロケットエンジン部品の付加製造における重要な前進であるとみています。次世代の打ち上げロケット用の100トンロケットエンジンであるプロメテウスも、BERTAのテストプロセスの恩恵を受け、複雑な部品の積層造形や燃焼室の低コスト製造技術などの技術継承を獲得することになります。
燃焼室は、ESA の将来ロケット準備プログラム (FLPP) プロジェクトの一環として、アリアン グループによって開発されました。アリアン グループによって開発された BERTA エンジンは、「貯蔵可能な推進剤」で動作するように設計されており、燃料を室温で貯蔵することができます。このタイプのエンジンは複数回点火することができ、非常に信頼性が高いです。これらは地球軌道を越えたミッションに使用でき、数か月間持続します。付加製造は、複雑な設計の冷却チャネルの製造に役立ちます。従来の製造方法では、このような複雑なチャネルを一体的に製造することはできないため、複雑な冷却チャネルを備えた冷却室の壁は 3D プリントされています。エンジンの性能が向上しました。 BERTAエンジンは、選択的レーザー溶融（SLM）金属3Dプリント技術を採用しています。インジェクションヘッド部の製造にはニッケルベースの合金材料が使用され、燃焼室部の製造にはステンレス鋼材料が使用されています。
9. ブリティッシュ・エアロスペース 3D プリンターによるラピッドプロトタイピングロケットエンジン
2021年3月、英国の航空宇宙企業OrbexはAMCMと提携し、ロケットエンジンの迅速な印刷を可能にするヨーロッパ最大の産業用3Dプリンターを構築しました。
△オーベックス社が製造した第2段プライムロケット
オーベックスは、2020年8月に計画許可を取得し、スコットランド高地のサザーランドにあるアムホイン半島の宇宙港からプライムロケットを打ち上げる計画を立てている。英国で唯一計画許可を得た宇宙港であるアムホインでは今年建設が開始される予定で、2022年には初の軌道打ち上げが開始される予定だ。
△エンジニアリングプロトタイプの 3D プリントロケットエンジン Orbex は数か月間、AMCM と共同で一連の大型ロケット部品をプリントする試験を実施し、打ち上げに向けた生産能力の拡大を目指しています。 AMCMは、両社がヨーロッパ最大と主張する産業用3DプリンターをOrbexの施設に特注で構築して設置する予定で、Orbexの施設はこれらの機械を収容するために1,000平方メートル拡張される予定である。数百万ポンド規模の 3D 印刷システムには、印刷されたロケット部品の画像ベースの自動検査を実行する後処理マシンと「マシン ビジョン」システムが含まれます。
部品の接合や溶接によって生じる可能性のある弱点を排除するため、Orbex のロケット エンジン部品は単一部品として印刷されます。部品はチタンやアルミニウムなどの金属をカスタムブレンドして印刷され、システムが軽量で、スペースシャトルの極端な温度と圧力に耐えられるほど丈夫であることを保証します。 Orbex は、新しい印刷システムが年間 35 基以上のロケット エンジンとターボポンプ システムに供給され、新しい A'Mhoine 宇宙ハブから打ち上げられる最初のシステムとして、英国から商業用ロケットを軌道に乗せる最初のシステムになる可能性があると見積もっています。
10. オーストラリアのSPEE3D低コスト金属3Dプリントロケットエンジン
2021年7月12日、オーストラリアのコールドスプレー3DプリンターメーカーSPEE3Dは、低コストの金属3Dプリントロケットエンジンを通じて航空宇宙産業に「革命を起こす」計画を発表した。 SPEE3D は、コールド スプレー技術を使用して、オーストラリアの新興産業航空宇宙産業向けに、高品質で手頃な価格の金属 3D プリント ロケット エンジンの製造を目指します。
SPEE3D の特許取得済みコールドスプレー積層造形技術は、従来の金属 3D 印刷方法よりも 100 ～ 1,000 倍の速さで金属部品を印刷できると言われています。伝えられるところによると、この技術は、従来の製造よりも競争力のあるコストで金属部品をオンデマンドで印刷できる数少ないプロセスの 1 つでもある。コールドスプレーは、レーザーやその他の熱ベースのエネルギー源に依存せず、代わりに運動エネルギーを使用して、高速の圧縮ガス流を介して金属粉末を基板にスプレーします。これにより、材料が変形してその下の固体部分に結合し、追加の層を形成するのに十分なエネルギーが供給されます。
同社の WarpSPEE3D 3D プリンターは、わずか 3 時間で 17.9 kg の銅製ロケット ノズル ライナーを 1,000 ドル未満のコストで製造しました。現在、SPEE3DはSPAC3Dプロジェクトに対する政府の支援を受け、従来生産されたエンジンに比べて安価でありながら、高品質の金属3Dプリントロケットエンジンの製造に自社の技術を応用することを目指している。 WarpSPEE3D は、過酷な条件下でも輸送および荷降ろしが可能で、30 分以内に稼働し、最大 40 kg の重量の大型金属部品を毎分 100 グラムの速度で印刷できることがわかっています。 △SPEE3D3Dはわずか3時間で銅製のロケットノズルライニングを印刷しました
11. ロケットラボ
2015年、カリフォルニアに拠点を置く航空宇宙企業ロケット・ラボは、ほぼ完全に3Dプリントされたエンジンを搭載した世界初のバッテリー駆動ロケットの開発を発表した。低コストの打ち上げシステムは、わずか 24 時間で 3D プリントできるラザフォード エンジン「エレクトロン」の形で提供されます。エンジンの主推力バルブ、インジェクター、ポンプ、エンジン室はすべて電子ビーム溶融法を使用して 3D プリントされており、エンジン自体も初めてであり、ガスの代わりに電気モーターを使用して、より軽量で効率的な機械を製造しています。ロケットの主要部品に3Dプリントを使用しているこの新興企業は、今回で16回目のミッションを開始した。さらに、Rocket Lab は今年、次世代の再利用可能な 3D プリントロケット Neutron を発表しました。
12. 相対性空間
Relativity Space は、2015 年に Tim Ellis 氏と Jordan Noone 氏によって設立されたアメリカの航空宇宙製造会社です。Relativity Space は、商業軌道打ち上げサービス向けの製造技術、打ち上げ用車両、ロケット エンジンを開発しており、3D プリント ロケットの設計、開発、製造を行っています。
垂直統合型テクノロジー プラットフォームである Relativity は、3D プリント、人工知能、自律型ロボットを融合することで、ソフトウェア定義製造への必然的な移行の最前線に立っています。 これにより、サプライチェーンが大幅に簡素化され、部品数が 100 分の 1 に減ったロケットを 60 日以内に製造できるようになります。
△Relativity SpaceはStargate 3Dプリンターを使用してロケットを製造しています。
Relativity Space 社の Aeon 1 ロケット エンジンは、海面で 15,500 ポンド (69,000 ニュートン)、真空中で 25,400 ポンド (113,000 ニュートン) の力を発生できます。 このエンジンは液化天然ガス（LNG）と液体酸素（LOX）を動力源とし、独自の3Dプリント合金で作られています。これは選択的レーザー焼結法で印刷され、100 個未満の部品から組み立てられました。 2018年3月現在、レラティビティ・スペースはNASAのステニス宇宙センターのE-3試験施設で、Aeon 1エンジンの試験発射を300回以上完了している。さらに、Relativity Space には、Stargate 印刷システム、Terran 1 および Terran R ロケットもあり、これらはすべて 3D 印刷で製造されています。
13. ランチャー
Launcherは2017年の設立以来、3Dプリント技術を継続的に活用してロケットエンジンの性能向上に取り組んできました。彼らの目標は、小型衛星を宇宙に打ち上げることができる、効率的でコストが最適なロケットを開発することです。
2019年に宇宙軍から150万ドルの契約を獲得した後、ランチャー社はE-2エンジン用の3Dプリント部品の開発に着手し、高さ860mm、出口ノズル径410mmの、この種の部品としては最大と言われているロケット燃焼室を製造した。燃焼室はEOSの子会社AMCM社が提供するM 4K 3Dプリンターを使用して一体製造された。
△AMCM-3Dプリントされたランチャーの燃焼室、AMCMからの写真
このロケットのE-2エンジンは高性能銅合金から3Dプリントされており、軌道に到達するために必要な推進剤が少ないため、競合他社よりも低価格でロケット1基あたりより多くの衛星を輸送することができる。
2021年5月、ランチャーは3DプリンターメーカーのVELO3Dおよびシミュレーションソフトウェア会社Ansysと提携し、E-2ロケットエンジンのもう1つのパフォーマンスに不可欠なコンポーネントである従来の液体酸素（LOX）ターボポンプの設計を最適化しました。 NASA のステニス宇宙センターでのエンジン試験の後、ターボポンプは打ち上げ前にライトランチャーロケットに組み込まれる予定です。
14. エアロジェット ロケットダイン
2021年5月19日、アメリカの推進システムメーカーであるエアロジェット・ロケットダインは、RL10ロケットエンジンのアップグレード版がNASAの点火試験手順に合格したと発表した。
△エアロジェット・ロケットダインのエンジニアが同社のRL10C-Xロケットエンジンを準備している
試験中、付加製造されたインジェクターと燃焼室を備えた同社の新型RL10C-X上段エンジンは、宇宙シミュレーションで点火プロセスと長期耐久性を実証した。 RL10C-X は、今後の宇宙探査ミッションの一環として、次世代のバルカン ケンタウルス打ち上げロケットに動力を供給するために、ユナイテッド ローンチ アライアンス (ULA) と共同で開発されました。
「この一連のテストが成功したことで、RL10 プログラムに 3D プリント技術を組み込んでコストを削減し、エンジンの比類ない性能を維持するという当社のアプローチが実証されました」と、エアロジェット ロケットダインの CEO、アイリーン P. ドレイク氏は述べています。「RL10 は 60 年近くにわたって業界の主力エンジンであり、RL10C-X は、このエンジンがそのリーダーシップを維持するのに役立つでしょう。」
△ NASA マーシャル宇宙飛行センターでエアロジェット ロケットダインの 3D プリント バンタム ロケット エンジンの打ち上げテスト
15. 呂炳衡院士のチームが10メートル級の高強度アルミ合金製大型ロケット接続リングを3Dプリント
国家付加製造イノベーションセンターと西安交通大学の呂炳恒院士率いるチームは、アークヒューズ付加・減算統合製造技術を使用して、世界初の10メートル級高強度アルミニウム合金製大型ロケット接続リングサンプルを製造し、製造プロセス全体の安定性、精度制御、変形および応力調整において大きな技術的進歩を達成しました。
10メートル級の超大型アルミ合金リングは、大型ロケット用タンクの胴体部、前後底部、タンク間部を連結する重要な構造部品です。サンプルの重量は約 1 トンで、革新的なマルチワイヤ共同プロセス装置を使用することで、製造プロセスが大幅に簡素化され、コストが大幅に削減され、製造サイクルが 1 か月に短縮されます。現時点で、積層と切削の統合製造技術を用いて超大型リングの完成に成功したのは世界初となります。
16. アリアングループ
航空宇宙大手エアバスとフランスのメーカーサフランの合弁会社であるアリアングループ（旧エアバス・サフラン・ランチャーズ）は、2018年1月にアリアン6ロケットの第1段であるバルカン2.1エンジンの試験を行った。
Vulcan 2.1 のガス発生器は 3D プリント技術を使用して製造されており、ESA は性能や効率を犠牲にすることなく Ariane 6 のコストを削減できます。
世界中のロケットエンジンメーカーが宇宙開発競争で熾烈な競争に直面していることは容易に想像できます。わが国の3Dプリントロケットエンジンも優れた性能を誇り、3Dプリントがロケットエンジン製造に大きな応用可能性を秘めていることも示しています。星と海は私たちの旅であり、困難や苦難があっても決して後悔することはありません。また、中国の航空宇宙産業は将来、ロケットエンジン製造の分野で確固たる地位を築き、輝けると信じています。
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