3Dプリントロケットエンジンが宇宙開発競争に再び勝利をもたらす

1960 年代半ば、アラバマ州ハンツビル郊外にある NASA のマーシャル宇宙飛行センターはロケット工学活動の巣窟であり、世界を支配する宇宙大国としての地位を確立しようとするアメリカの努力の中心地だった。1957 年にソ連の人工衛星スプートニクが打ち上げられた後、当時支配的だった冷戦精神により、同センターのエンジニアたちは、ロシアよりも優れたロケットを作るという 1 つの戦略的目標を掲げ、無数の課題を迅速に乗り越えようとしていた。

50 年経った今、ほとんど何も変わっていないと考えるのも無理はない。現在ハンツビルでは、NASA の資金援助を受け、ハンツビルを拠点とするダイネティクス社と推進装置の巨人エアロジェット ロケットダインのエンジニアで構成される新しいロケット科学者チームが、かつてアポロ計画のサターン V ロケットに動力を与えた F-1 ロケット エンジンの部品をまさに再現している。彼らの目標は、ロシアよりも優れたロケットを作ることだ。

アポロ時代のエンジニアたちと同様、彼らの原動力は主に地政学的なものだ。過去1年間の米ロ関係悪化は、1990年代から米国の宇宙産業がロシアからロケットエンジンを購入してきた貿易関係を脅かしている。しかし、先人たちとは異なり、ダイネティクス/エアロジェット ロケットダイン チームは、高性能コンピューターモデリングや3Dプリントなどの21世紀の技術を使って20世紀のロケット部品を再構築しており、場合によっては従来の製造スケジュールを1年以上短縮している。

エンジニアたちが現在思い描いている通りにこのプログラムを完成させることができれば、NASAと米空軍はまもなく、空を突き抜ける史上最強のロケットを3Dプリントできるようになるだろう。

「過去10～15年かけて開発した技術を使えば、ロシアが現在行っているよりも安くできる」と、ダイネティクスの企業開発部長で、NASAのロケットエンジン新技術開発の最後の主要プロジェクトであるアレス・プロジェクト・オフィスの元マネージャーであるスティーブ・クック氏は語る。

アメリカのロシア製ロケットエンジンへの依存は、冷戦が終わった直後から始まった。ソ連崩壊当時、アメリカのロケットエンジンは高価だった。超強力なRD-170のような重量物運搬用のロシア製ロケットエンジンは豊富で信頼性が高く、経済が混乱していた当時としては価格も手頃だった。「誰もがそれに騙されてしまった」とクック氏はロシアのロケット技術に頼る決断について語る。「ちゃんと機能するし、交換するには費用がかかりすぎるから、使い続けようという姿勢だった」

この油断の結果、やがて米国政府の最も機密性の高い国家安全保障衛星でさえ、軌道に乗せるためにロシアのロケットエンジンに頼るようになった。2012年、NASAはダイネティクス社と契約を結び、アポロ時代のサターンVに搭載されていたF-1ロケットエンジンをベースにした、米国製の新型先進ロケットブースターの経済性と信頼性の調査を開始した。当時NASAは、同じくハンツビルで開発中だった同機関の新型大型ロケットスペース・ローンチ・システムに、そのようなエンジンを搭載することを検討していたが、その後NASAはスペースシャトルのミッションで余ったRS-25エンジンを使用してSLSの初期飛行に動力を供給することを決定した。

しかし、それ以来、国産ロケット技術の必要性はより深刻になってきた。過去 1 年間のウクライナにおけるロシアの挑発行為により、米国製ブースターへの関心が NASA だけでなく加速している。9 月には、米国空軍が、米国の軍事衛星やスパイ衛星を軌道に乗せるのに通常使用されるロシア製 RD-180 エンジンの代替品に関する情報提供を正式に要請した。一方、米国のロシア製ロケットへの依存を断ち切るよう、またそのための資金を捻出するよう、議会から圧力がかかっている。「コストよりも大きな問題が今やある」とクック氏は言う。「ロシア政府の行動により、昨年の春、その必要性が非常に明確になった」

国防総省のロシア製ロケットへの依存を断ち切るため、ハンツビルのチームは新しい技術と高度な製造技術の実験を行っている。ダイネティクス/エアロジェット ロケットダイン チームが開発中の新型 AR-1 エンジンは、古い F-1 の設計をかなり借用しているが、エンジンの組み立て方はこれまでとはまったく異なる。積層造形、つまり 3D プリントを多用することで、チームは時間と材料の削減を実証し、ロケット製造コストを大幅に削減し、生産スケジュールを短縮した。場合によっては 1 年以上も短縮される。

「私たちは、もともと旧型のサターン V F-1 エンジン用に作られた部品、つまりガス ジェネレータ インジェクターを使うことができました。通常、その製造には 15 か月かかります」とクック氏は言います。「それを 15 日間に短縮することができました。」インジェクターの製造コストは 70 パーセント削減されました。また、重量も軽くなり、貴重な推力の余裕が生まれ、それをペイロードに使用できるようになりました。

設計チームは、材料科学と 3D プリント合金の進歩によってロケット エンジンの生産期間を数週間、数か月、そして最終的には数ドルも短縮できる可能性がある他の分野に目を向けています。

「積層造形を導入するのに最適な箇所には、板金部品、溶接、連結部がたくさんあります」とクック氏は言う。「将来的には、プレインジェクターのブレースジョイントを数十個、メインインジェクターのブレースジョイントを数百個排除できるかもしれません。おそらくノズルまでブレースジョイントをなくせるでしょう。」

このすべての作業の集大成は、これまでに印刷された中で最も強力なロケットエンジンとなるでしょう。

完全にプリントされた推力室、つまりインジェクター、燃焼室、ノズル、バルブハウジング、インレット、マニホールドなどは、従来の推力室よりも 35 パーセント安く済む可能性がある。また、製造期間を数か月短縮できるため、NASA や空軍ははるかに短いスケジュールでロケットを製造できるようになる。チームのイノベーションは、今後数年間でロケット製造の可能性を急速に再定義し、他のロケット製造業者が追いつくのに苦労することになるかもしれない。

クック氏によると、このすべての作業の集大成は、これまでに印刷された中で最も強力なロケットエンジンになるという。F-1のよりコンパクトで高性能なバージョンで、約55万ポンドの推力を生み出す（比較すると、スペースXのマーリンエンジンは、海面で1基あたり約15万ポンドを生み出すため、ファルコン9ロケットを軌道に乗せるには9基のエンジンが必要になる）。2基のエンジンを直列に組み合わせると、100万ポンド以上の推力を生み出すことになる。これは、現在2基のノズルから86万ポンドの推力を噴出しているRD-180の役割を担うには十分すぎるほどだ。

クック氏は、NASAからこのプログラムを引き継ぐとみられる空軍から承認が得られれば、エンジニアらは早ければ2018年にも完全な実証用エンジンを製造できるだろうと述べている。

「長期的には、エンジンの大部分の部品を印刷できない理由はない」とクック氏は言う。「私は、積層造形がロケット事業に革命を起こすと信じている。」