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清水建設とJAXA、新技術活用の液体燃料タンク製造を試作へ–ロケットの低コスト化狙う

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　清水建設と宇宙航空研究開発機構（JAXA）は1月10日、以前から共同で進めていた「金属積層造形を用いたロケット液体燃料タンク製造技術」研究で、第1段階として積層造形技術（Additive Manufacturing：AM）の基礎的な成立性を確認できたため、将来の大型タンクへの適用に向け、サブスケール供試体の試作に向けた検討を始めると発表した。

　清水建設とJAXAの共同研究は、次期基幹ロケットや民間が主導する、新しい宇宙輸送システムに向け、ロケット構造の抜本的な低コスト化が狙い。清水建設の「WAAM」（Wire-Arc Additive Manufacturing）技術と宇宙輸送システム技術を組み合わせることで、アルミ合金製液体燃料タンクなどの大型構造体を低コストかつ短期間で製造する技術の確立を目指す。WAAMは、アーク溶接の溶接ビードをロボットアームで積み重ねることで立体的な造形を達成する技術。

　液体ロケットの極低温液体燃料タンクなどの大型構造体は金属組立構造が基本。部品点数が多く加工や組み立ての工数がかさむことからロケット構造の高コスト要因のひとつと指摘されている。抜本的に低コスト化を図るには、部品数や工数を大きく削減することで液体燃料タンクなどの大型構造製造費を低く抑えることが課題となっている。

　こうした課題から、ロケット大型構造や液体燃料タンクの製造にAMを適用し、材料費に加えて、加工や組み立てといった費用を大幅に低減することが共同研究の目的。共同研究では、アルミ合金製や大型薄肉構造、高速で高精度の造形に関する技術課題を解決することで、広く他分野の製造技術としても応用できるAM技術の確立を目指している。

　共同研究ではロケット液体燃料タンクとアルミ外装材の両方に活用できるWAAM技術を開発して、基本的な要求性能に対する成立性を以下の3つの段階で評価する。

1. 小型部分要素を試作することで最小板厚、造形速度、造形品質、造形品の機械的特性の目標を評価、実証することで造形プロセスの基本仕様を設定する
2. サブスケール供試体のサイズや形状を造形できる装置を導入するとともに制御プログラムを整備して、大型化に向けたプロセスを開発、検証する
3. サブスケール供試体などを試作し、実タンクへの製造技術の適用可能性を実証するとともに、水耐圧や極低温耐圧で試作タンクを試験して、タンクとしての耐圧性能や気密性能を確認する

　清水建設は、WAAM技術による積層とロボット切削加工を組み合わせたハイブリッド造形システムを開発する。このシステムは、直径1.5mの液体燃料タンクの製造に対応でき、積層時のデータをリアルタイムに計測することで製品のプロセスを管理できるという。

　JAXAは、液体燃料タンクや構造体の仕様や要求性能を検討し、WAAM技術に適した構造様式や形状を評価。サブスケール液体燃料タンク供試体やWAAM技術検証のための試作や試験の仕様を設定する。

　清水建設は将来的に、今回の技術を地上での建設材料の製造に活用する考え。

　清水建設とJAXAの共同研究は、JAXAが進める「革新的将来宇宙輸送システム研究開発プログラム」の一環。国が主導する次期基幹ロケットの初号機打ち上げを2030年頃に、民間が主導する新たな宇宙輸送システムの実用化を2040年頃に実現することを目標、システム技術や要素技術の研究開発を進めている。

　その活動の一環として、2021年から産学官のオープンイノベーション共創体制を構築し、革新的な技術を獲得するとともに、非宇宙分野からの参入者が増え、宇宙分野と非宇宙分野の双方が新技術のメリットを享受できることを目指している。

　共同研究は2022年7月に研究提案募集（Request for Proposal：RFP）の課題解決型研究として採択。これまでに小型部分要素試作で板厚や造形速度、品質、造形品の機械的特性を評価、実証してきた。

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清水建設／JAXAプレスリリース