TRI-D

TRI-D ロケットエンジン

TRI-Dは、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）の学生チームによって開発された、金属3Dプリンターで製造された革新的なロケットエンジンです。このプロジェクトは、NASAのマーシャル宇宙飛行センターと協力して進められ、特に小型衛星打ち上げ機の第三段エンジンとして設計されました。重量1.33キログラム未満のナノサットやキューブサットを軌道に乗せることを想定しており、3Dプリンティング技術によるロケット構成要素の実用性を検証する目的を持っていました。2014年2月の時点で、UCSDの学生たちは、NASA以外の組織としては初めて、この規模の金属製ロケットエンジンを3Dプリンターで製造することに成功しました。開発にかかった費用は約6,800米ドルとされており、従来の製造方法に比べて大幅なコスト削減の可能性を示唆しています。

技術的特徴

TRI-Dエンジンは、全長約17.7センチメートル、重量約4.5キログラムと比較的コンパクトな設計です。材料にはコバルト・クロム合金粉末が使用されており、これは金属3Dプリンティングに適した素材です。推進剤としては、ケロシンと液体酸素の組み合わせが用いられます。設計上の目標推力はおよそ200重量ポンド（約890ニュートン、91キログラム重）とされています。

噴射装置の設計も特徴的で、「燃料-酸化剤-酸化剤-燃料」という配置を採用しています。外側に配置された2つの燃料オリフィスは、内側の2つの酸化剤オリフィスに向けて収束するように配置されています。これにより、効率的な混合と燃焼を目指しています。また、エンジンは再生冷却ジャケットを備えており、燃焼中に発生する熱からエンジンノズルを保護します。燃焼器内部では、推進剤が中央部で燃焼することで、燃焼器の内壁から熱源を遠ざけつつ、比較的低温のガスで内壁をフィルム断熱する仕組みが採用されています。

製造プロセス

TRI-Dエンジンの製造には、直接金属レーザー焼結法（DMLS）と呼ばれる3Dプリンティング技術が用いられました。具体的には、NASAが以前から検討していたGPI試作技術と、市販の製造サービスプリンターが活用されました。このプロセスでは、まずコバルト・クロム合金の微細な粉末が薄い層として敷き詰められます。次に、コンピューター制御された高出力レーザーが、設計データに基づいてエンジンの各部品の断面形状となる部分を選択的に照射し、粉末を溶融・凝固させます。一層分の作業が終わると、新たな粉末層が上から敷かれ、再びレーザー照射が行われます。この工程を繰り返すことで、部品が下から一層ずつ積み上げられていきます。この際、形成に寄与しなかった周囲の金属粉末は、そのまま部品を支持するサポート材としての役割を果たします。全ての層の印刷が完了した後、未固化の粉末が除去され、必要に応じて硬化処理や洗浄が行われた後、エンジンの最終的な組み立てが行われます。

試験と成果

TRI-Dエンジンの実証のため、モハーヴェ砂漠で燃焼試験が実施されました。この試験は特に問題なく成功し、目標であった約200重量ポンドの推力を発生させることが確認されました。開発チームはこの成功を大きな通過点と位置づけ、「より廉価な推進システムを開発し、宇宙の商業化を推進する次の段階へ進むことが可能になった」とその意義を強調しました。

さらに、3Dプリンティング技術で製造された噴射装置単体の性能を評価するため、従来の製造方法で作られたエンジン本体に組み込んで試験が行われました。2014年8月22日に実施されたこの試験では、噴射装置が約20,000重量ポンド（約89,000ニュートン、9,100キログラム重）という、TRI-D全体の推力を大幅に上回る高推力を発生させることが確認され、3Dプリント部品のポテンシャルの高さが示されました。

TRI-Dエンジンの開発経験は、その後のプロジェクトにも引き継がれています。開発チームが現在開発を進めているVulcan-Iと呼ばれる新たなロケットエンジンは、「TRI-Dの兄」とも称されており、TRI-Dで培われた知見が活用されていることがうかがえます。

TRI-Dプロジェクトは、学術機関の学生チームが先端的な3Dプリンティング技術を活用して高性能なロケットエンジンを比較的低コストで開発し、その実用性を証明した点で、宇宙開発における製造方法の可能性を広げる重要な事例となりました。

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