耐熱CFRPサンドイッチパネルを用いた軽量熱防御システムの開発

• Project/Area Number: 16K18314
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 久保田 勇希 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 宇宙航空プロジェクト研究員 (30737044)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: ポリイミド / アブレータ / 耐熱サンドイッチパネル / 熱防御システム / 再突入カプセル / 複合材料 / 航空宇宙工学

Outline of Annual Research Achievements

大気圏再突入カプセルの熱望魚システムは、アブレータ、構造部材、断熱材の三つの材料から構成される。本研究では、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が独自で開発したポリイミド樹脂TriA-Xの耐熱性を応用し、カプセル主構造と断熱材が一体となった革新的な軽量熱防御システムの検討を行った。
初年度では目標であった高密度ポリイミドアブレータの開発に成功した。ポリイミド樹脂を母材とした複合材量では成形時に樹脂溶媒が残存するため、10mm以上の厚い供試体成形は困難であった。申請当初の予定では、溶媒レスの耐熱ポリイミド樹脂を開発することで、その成形性向上を図る予定であったが、耐熱性の低下が懸念された。そこで、プリプレグ状態で乾燥処理を行うことで、40mmの高密度ポリイミドアブレータの成形に成功した。さらに、初年度では高密度ポリイミドアブレータと、構造断熱部材となる耐熱ポリイミドサンドイッチパネルの接着技術を確立し、その応答性評価の一部を実施した。その結果、40％の軽量化が可能となることを明かにした。
次年度である平成29年度では、アーク風洞試験を用いてさらなる熱応答性評価を実施し、種々の加熱条件における優位性を実証した。また各種物性値を取得し、簡便ではあるものの、アーク風洞環境における熱応答性解析を実施した。これにより各加熱環境における最適なアブレータ厚みを算出し、その性能の最大化を目指した。
また、ポリイミドアブレータ作製の技術を応用し、申請当初は想定していなかった新たな技術の確立に成功した。乾燥プリプレグを用いてアブレータを中密度化する技術を開発し、さらにはアブレータの厚み方向に密度傾斜を持たせる技術アイデアを生み出した。

Research Products

• [Journal Article] Thermal Protection Performance of Porous Carbon Ablators with Three Different Materices (2018)
  • Author(s): Yuki Kubota, Toshiki Fujita, Yusei Kaneda, Ryo Inoue, Yasuo Kogo
  • Journal Title: Journal of Spacecraft and Rockets Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 耐熱CFRPサンドイッチパネルを適用した熱防御システムの熱伝導解析 (2017)
  • Author(s): 宮本央星、久保田勇希、青木卓哉、石田雄一、小笠原俊夫、梅津信二郎
  • Journal Title: 第8回日本複合材料会議講演集 Volume: 1D-02 Pages: 1-4
• [Journal Article] Thermal response and recession resistance of new thermal protection system using high-temperature sandwich panel (2017)
  • Author(s): Ousei Miyamoto, Yuki Kubota, Takuya Aoki, Yuichi Ishida, Toshio Oasawara, Shinjiro Umezu
  • Journal Title: Proceeding of International Astronautical Congress 2017 Volume: IAC-17-C. 2. 4. 5 Pages: 1-7
• [Presentation] 耐熱CFRPサンドイッチパネルを適用した熱防御システムの熱伝導解析 (2017)
  • Author(s): 宮本央星、久保田勇希、青木卓哉、石田雄一、小笠原俊夫、梅津信二郎
  • Organizer: 第8回日本複合材料会議
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 耐熱CFRPサンドイッチパネルを適用した熱防御システムの熱伝導解析 (2017)
  • Author(s): 宮本央星、久保田勇希、青木卓哉、石田雄一、小笠原俊夫、梅津信二郎
  • Organizer: 第8回日本複合材料会議講演集
• [Presentation] Thermal response and recession resistance of new thermal protection system using high-temperature sandwich panel (2017)
  • Author(s): Ousei Miyamoto, Yuki Kubota, Takuya Aoki, Yuichi Ishida, Toshio Oasawara, Shinjiro Umezu
  • Organizer: International Astronautical Congress 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of porous carbon material for heat shield of re-entry capsule (2017)
  • Author(s): Yuki Kubota, Ryo Inoue, Yasuo Kogo, Takuya Aoki, Yuichi Ishida, Toshio Ogasawara
  • Organizer: 12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology
  • Invited
• [Presentation] 宇宙航空分野において求められる耐熱複合材料開発 (2017)
  • Author(s): 久保田勇希
  • Organizer: 静岡大学ナノ粒子革新的応用若手研究会 第2回研究セミナー
  • Place of Presentation: 静岡大学
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] アブレータ、及びアブレータの製造方法 (2018)
  • Inventor(s): 久保田勇希、鈴木俊之、その他
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-329284
  • Filing Date: 2018
• [Patent(Industrial Property Rights)] アブレータ、プリプレグ、アブレータの製造方法、及びアブレータ用のプリプレグの製造方法 (2017)
  • Inventor(s): 久保田勇希、石田雄一、その他
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-177099
  • Filing Date: 2017