これらの3Dプリントエンジンは宇宙ロケットや極超音速兵器に動力を与えることができる

「Overmatched」では、防衛産業の中心である兵士とスパイの世界の科学技術を詳しく見ていきます。

ロッキー山脈のすぐ下にあるコロラド平原、趣のある町バートハウドの近くに、宇宙企業アーサ・メジャーの本社がある。デンバーから車で北に約 1 時間の場所にあるこの会社では、敷地内のバンカーの裏側からロケット エンジンの試験発射を定期的に行っている。

ほとんどが3Dプリントされたこれらのエンジンは、衛星を宇宙に打ち上げるためだけのものではない。極超音速機の推進剤として米軍も関心を持っている。そして、その二重用途性は、ロケット技術が常に持っていた2つの側面、つまり防御と攻撃の目的と宇宙探査に同時に役立つという側面の現代的な現れである。

同社はこの技術を活用して、民間と軍事の両方のプロジェクトを立ち上げたいと考えている。

3… 2… 1… 離陸

2015 年に Ursa Major を設立したジョー・ローリエンティは、バートハウドからそれほど遠くない場所で育った。彼の父親は、大量のアルミ缶を製造する会社の宇宙部門であるボール エアロスペースで働いており、現在の Ursa Major の 90 エーカーの敷地の元所有者でもある。「父はいつも衛星に取り組んでいました」とローリエンティは言う。しかし、父親のペイロードの 1 つが打ち上げられるのを見に行ったとき、彼は「父が取り組んでいたものは本当に重要だ。このロケットの上にある。でも、下から出る炎の方がはるかにエキサイティングだ」と思った。

それ以来、ローリエンティ氏はその情熱を追い続け、推進力に人生を捧げてきた。推進力とは、ロケットを重力に逆らって軌道に乗せるのに十分な速度で打ち上げる技術である。成人後、同氏はスペースX社の推進チームに加わり、その後ブルーオリジン社に移り、有名な億万長者が所有する宇宙打ち上げ企業3社のうち2社に手を染めた。（3社目はリチャード・ブランソン氏のヴァージン・ギャラクティック社）

やがて、ローリエンティ氏は、同業界の他社が商業ロケット会社を設立しようとしているのを目にした。彼は、おそらく偏見から、それは良い考えではないと考えた。最初に設立された有力企業が当然勝利し、他の企業は敗者になるだけだと考えたのだ。

それでも、彼はこの分野に貢献できるスタートアップ企業があると考えていた。ロケット全体を作るのではなく、エンジンだけを作ってロケット企業に販売するスタートアップ企業だ。ちょうどゼネラル・エレクトリックがボーイングやエアバスの航空機を動かすエンジンを作っているのと同じだ。「私はキャリアをエンジンに費やしてきたが、それが常に業界にとっての悩みの種だった」とローリエンティは言う。

もちろん、ロケットエンジンは宇宙船を上空に打ち上げるのに非常に重要だ。「過去 10 年間の打ち上げ失敗の 50 パーセント強は推進力に関係しています」と、南カリフォルニア大学の学部生時代からローリエンティと知り合いである Ursa のエンジニアリング担当副社長、ビル・マレーは説明する。これは、ロケットの複雑さの半分がエンジン内部にあることを意味すると解釈できる。ロケット製造業者の計算からその要素を取り除けば、彼らの仕事は理論的にずっと楽になる。

「それが航空宇宙産業の次の波だ」とローリエンティは考えた。「それは専門化だ。」

そのアイデアをもとに、彼は新しい事業の準備としてSpaceXの株を売却した。「家を買って家族を持つ代わりに、3Dプリンターを買って会社を立ち上げ、母を泣かせました」と彼は言う。

3Dプリントエンジン、そしてロケット全体

3D プリンターは、ローリエンティ氏のビジョンの鍵でした。現在、Ursa エンジンの 80% は金属合金で 3D プリントされています。しかも、ばらばらに吐き出された要素を後で溶接するのではなく、ユニットとしてプリントされています。ほとんどの宇宙企業は、ある程度は積層造形 (3D プリントの別名) を使用していますが、一般的に、ハードウェアの大部分を 3D プリントしているわけではありません。また、一般的に、複雑なハードウェアを数百ではなく 1 つの部品として作るなど、3D プリントの特殊な特性を利用して宇宙玩具を設計しているわけでもありません。

こうした考え方は、エンジンを含めたロケット全体を基本的に 3D プリントした Relativity Space という別の会社でも重要だ。同社の Terran 1 ロケットは、地球上で最大の 3D プリント物体だ。チームは 3 月 8 日と 11 日にロケットの打ち上げを試みたものの、地上設備、燃料圧力、自動化システムの問題により、結局 2 度とも打ち上げは中止された。

ローリエンティ氏と同様に、レラティビティの創業者ティム・エリス氏も、従来の宇宙関連企業では 3D プリント技術を全面的に受け入れることに消極的であることに気付いていた。エリス氏は以前勤めていたブルーオリジン社で金属 3D プリントを初めて行った人物で、研修生時代には、研修期間が終わる前にターボポンプの組み立てを完成させようと必死だった。その後、正社員となったエリス氏は、同社で金属 3D プリント部門を立ち上げ、その部門を率いることになった。

しかし、ブルーオリジンのような従来の宇宙企業が通常行っている3Dプリントの方法は、彼にはうまくいかなかった。なぜなら、その方法では、積層造形独自の機能を活用するための部品の設計が必ずしも含まれていないと感じたからだ。「レラティビティが作った3Dプリント部品はどれも、従来の製造方法では作れないでしょう」とエリス氏は言う。そのアプローチの結果、「たとえば、ロケットエンジンの非常に多くの部品が単一の部品で作られているため、高度に統合された構造物に見えるようになりました」。従来の製造方法では、これらの単一の部品は、最大で数千の個別の部品で作られていただろう。

彼は、今頃はもっと多くの人がこちら側に来ているだろうと思っていた。「正直に言うと、3D プリントの導入は予想していたよりもずっと遅いです」と彼は言う。「そして、これは単なる製造技術ではなく、製品を開発する新しい方法だということに人々が気づくのが遅かったからだと思います。」

音速の5倍

当初、アーサ・メジャーのビジネスモデルは宇宙打ち上げ、つまり物体を軌道に乗せることに重点が置かれていた。このプロセスは同社初のエンジン「ハドレー」によって推進される。現在も生産中のこの設計は、液体酸素と灯油を吸い込んで5,000ポンドの推力を生み出す。これは、ロケット・ラボの小型エレクトロン機やヴァージンオービットのランチャーワン宇宙飛行機のエンジンとほぼ同じである。

しかしその後、ローリエンティ氏は名前を明かさなかったが、初期の顧客が同社に別の用途についてアプローチしてきた。極超音速機である。極超音速機は、地球の大気圏内を音速の5倍以上の速度で飛行するように設計されている。通常、極超音速機について議論するときは、高速で機動性のある兵器について話している。

「私たちは他社からロケットエンジンを購入していましたが、それらは極超音速用に作られたものではありません」と、この顧客が言ったことをローリエンティ氏は思い出す。「まだ開発の初期段階です。何か変更してもらえますか？」

スイッチを入れるほど簡単ではないが、それは可能だ。極超音速機は空中から、つまり飛行機の底から発射されることが多いが、ロケットは宇宙に向かう途中で地上から発射されるのが一般的だ。極超音速機は大気圏内にとどまることもできる。後者の部分は、高速という点では驚くほど難しい。

布に手をこすりつけると両方が温まるのと同じように、極超音速機を空気にこすりつけると、両方の温度が上昇する。「周囲の大気は赤く輝き、機体を飲み込もうとしている」とローリエンティ氏は言う。機体の周囲にプラズマを発生させるこの熱は、通信信号の送信も困難にする。この過酷な環境で高速を維持し、機械を稼働させることは、依然として課題である。

しかし同社は、現在4回目のバージョンアップとなるハドリーを、ロケットを宇宙に打ち上げることと、地球の大気圏内にとどまる極超音速機を推進することの両方の文脈で機能させる方法を見つけ出したようだ。アーサ・メジャーの契約の1つとして、軍は、空軍研究所が運営するプログラムであるX-60Aと呼ばれる航空機にこのエンジンを動力として使いたいと考えていた。X-60Aは、極超音速技術を飛行させるシステムとして構築され、その実力を試し、エンジニアに兵器の挙動を計測する方法を提供するものだった。

極超音速兵器（高速で地上に届くミサイル）は、核弾頭を搭載し、宇宙空間に弧を描いて飛び、再び目標地点に戻ってくる大陸間弾道ミサイル（ICBM）より実際には速くはない。しかし、ICBMのように予測可能な軌道をたどる必要がないため、追跡や撃墜がより困難であり、軍関係者の関心と懸念の対象となっている。ロシア、中国、インド、フランス、オーストラリア、ドイツ、日本、韓国、イランはいずれも極超音速兵器の研究プログラムを実施している。

こうした高速で移動する兵器を迎撃するには、国が独自の極超音速兵器を必要とするかもしれない。つまり、防衛的要素と攻撃的要素があるということだ。国防総省が、他国の技術力に追いつきたいという願望に加え、極超音速兵器の研究に数十億ドルを投資してきた理由も、このためである。当然ながら、他国は追いつきたい、あるいは先を行きたいと考えることが多く、その結果、各国が研究にさらに資金を投入することになる。

長年にわたる二重性

ロケット技術は、人類が壮大な夢を描き、探求するための手段としてしばしば宣伝されてきたが、常に軍事とのつながりがあった。暗黙的ではないが、非常に明白な形で。「[ナチスドイツの] V-2ロケットは大陸間弾道ミサイルの元祖でした」と、宇宙技術とそのその後を研究しているカリフォルニア工科大学の歴史学助教授、リサ・ルース・ランド氏は言う。

宇宙行きのロケットは、少なくとも当初は、基本的に弾道ミサイルだった。結局、どこへ向かおうとも、強力な火の棒は強力な火の棒なのだ。そして、それは宇宙時代の始まりから真実だった。「スプートニクを打ち上げたR-7ロケットは、最初の実用化されたICBMの1つでした」とランドは言う。彼女は続けて、最初のアメリカ人宇宙飛行士は、改良されたレッドストーン弾道ミサイルの先端に乗って宇宙へ飛び立った、と続ける。その後、アトラスロケットとタイタンロケットが登場したが、これらは、それらを作るために強化された米国のミサイルと同じ名前でさえある。

ロケットと飛行兵器は、発射を体験した人々に与える潜在意識の意味という点で、ある種の哲学的系譜を共有している。「ロケットと飛行兵器は、時間と空間の面で、多くの点で世界を縮小しました」とランド氏は言う。「兵器であれ、衛星であれ、世界の別の場所にアクセスすることで、世界は本当に小さくなりました。」

現在、一般的にミサイル技術の開発は宇宙打ち上げ技術から切り離されており、軌道に乗せるロケットは特にその目的のために作られている。しかし、ミサイルの起源を忘れないことが重要だ。「ミサイルはすべて、V-2 やこれらの軍用ロケットから派生したものです」とランド氏は言う。「また、ミサイルのほとんどは、依然として国防総省のペイロードを打ち上げています。」

多くの点で、超音速機の動力源として、また衛星を軌道に乗せることのできる 3D プリント ロケット エンジンは、最初から存在していた二重性を 21 世紀に具現化したものです。「静かな部分を声に出して言っているだけかもしれません」とランド氏は言います。「ここで起こっていることは、常にそうでした。しかし、今私たちは『はい、これは両方に使用しなければなりません。私たちは会社を設立しており、これが私たちの市場です。そして、はい、ロケットは主に 2 つの目的、つまり衛星と兵器の打ち上げに使用されています』と明確に伝えています。」

「胸に衝撃が走る」

極超音速能力が米国でそれなりに誇大宣伝されていることは驚くに当たらないが、そのすべてが完全に当然というわけではない。防衛研究者が最近Scientific Americanで指摘したように、米国は数十年にわたって弾道ミサイルを操縦可能な再突入体（MaRV）に搭載してきた。飛行の終わりに向かってしか方向転換できないが、それでも進路を変えることはできる。同様に、科学者らは、低空飛行する極超音速ミサイルは接近するまでレーダーを逃れるかもしれないが、米国はミサイル防衛をレーダーに完全に頼っているわけではないと続けている。米国には、ハドレーのような燃えるロケットエンジンを露出できる赤外線追尾衛星もある。

それでも、空軍は、Ursa Major が極超音速研究にどのような貢献をできるかに関心を持っており、連邦政府の契約や賞金を追跡しているウェブサイト USA Spending によると、同社と 7 つのプログラムに資金を提供している。実際、空軍は Ursa の唯一の政府顧客として登録されており、同社の極超音速および宇宙打ち上げの両面に数百万ドルを投資している。また、空軍は Relativity の連邦政府賞金 4 件のうち 2 件を担当している。

また、最近、国家安全保障上の関心事として、宇宙打ち上げにおけるロシア製ロケットエンジンへの依存度を下げることが挙げられます。この目的のため、アーサ・メジャー社は、推力20万ポンドを誇るアロウェイという新型エンジンを開発中です。「アロウェイエンジンは、複数組み合わせることで、米国の打ち上げ会社が入手できなくなったロシア製RD-180とRD-181に取って代わることができる、数少ない市販エンジンの1つになります」と同社は昨年6月に述べました。同社はまた、ハドレーの拡大版であるリプリーという中間的な3番目のエンジンも開発中です。

現在、Ursa Major は 3D プリント エンジンを 1 日に最大 3 回テストしています。ある日、ベルサウドの訪問者は、知らないうちに 6 台か 9 台の高出力実験の近くに​​いるかもしれません。静止ロケット エンジンのテストが始まると、極低温から発生する巨大な蒸気雲がエンジニアを包み込むことがあります。

「火がつくと、胸に衝撃が走るだけです」とローリエンティは言う。エンジンの後ろから円錐状の炎が噴き出し、バンカーの後ろの野原にある砂の山に向かっていく。見物人は山に背を向け、獲物に目を向けながら、炎に正面から立ち向かう。

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