Remaining life assessment through thermal-fatigue analysis of copper alloy for combustion chamber of reusable rocket engine

• Project/Area Number: 23246147
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Japan Aerospace Exploration Agency
• Principal Investigator: SATO Eiichi 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (40178710)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): NISHIMOTO Miki 宇宙航空研究開発機構, 情報・計算工学センター, 開発員 (40450704) ; SHIWA Mitsunharu 物質・材料研究機構, 材料信頼性評価ユニット, グループリーダー (70242120) ; TAKEGOSHI Masao 宇宙航空研究開発機構, 宇宙輸送ミッション本部, 主任研究員 (60371126) ; SUNAKAWA Hideo 三菱重工業株式会社, 名古屋誘導推進システム製作所, 社員 (70598846)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): NOBUAKI Kawai 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 准教授 (60431988) ; MATSUNAGA Tetsuya 独立行政法人物質・材料研究機構, 材料信頼性評価ユニット, 研究員 (30595905)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥46,540,000 (Direct Cost: ¥35,800,000、Indirect Cost: ¥10,740,000); Fiscal Year 2014: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2013: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2012: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2011: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
• Keywords: クリープ疲労 / 銅合金 / ロケットエンジン / クリープ疲労相互作用 / クリープ損傷 / 疲労損傷 / クリープ・疲労相互作用 / 熱疲労 / Cu-Cr-Zr系銅合金 / 液体酸素・液体水素

Outline of Final Research Achievements

Creep-fatigue of the copper alloy of liquid rocket engine combustion chamber determines the engine life. Stress-holding type creep-fatigue tests were executed to simulate the engine combustion cycle. Microstructural observation implied the following damage mechanisms in creep-fatigue process; (1) some creep voids rapidly nucleate and grow at grain boundaries, and (2) fatigue cracks connect with creep voids resulting in the rapid fracture compared to the simple creep or simple fatigue.
This understanding on the interaction between creep and fatigue enables us to design and estimate a new rocket engine with higher reliability.

Research Products

• [Journal Article] ロケットエンジン燃焼室銅合金のクリープ疲労における損傷過程の調査 (2015)
  • Author(s): 出口雅也, 堀恭暢, 戸部裕史, 佐藤英一
  • Journal Title: 銅および銅合金 Volume: 54
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 宇宙機器に関する非破壊信頼性評価 (2014)
  • Author(s): 佐藤英一、津田浩、志波光晴
  • Journal Title: 検査技術 Volume: 19 Pages: 29-32
• [Journal Article] ロケットエンジン燃焼室銅合金の熱疲労特性 (2012)
  • Author(s): 柳翔吾
  • Journal Title: 銅と銅合金 Volume: 51 Pages: 66-66
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Microstructural Investigation in Low-Cycle Creep-Fatigue Deformation of Cu-Cr-Zr Alloy (2015)
  • Author(s): M. Deguchi, Y. Hori, H. Tobe, E. Sato
  • Organizer: CREEP2015
  • Place of Presentation: Toulouse, France
  • Year and Date: 2015-05-31 – 2015-06-04
• [Presentation] ロケットエンジン用銅合金の応力保持型クリープ疲労における損傷進展過程 (2015)
  • Author(s): 出口雅也, 堀恭暢, 戸部裕史, 佐藤英一
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 東京大学駒場Ⅰキャンパス
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] ECTによる燃焼器銅合金の欠陥検出、劣化損傷・余寿命評価 (2015)
  • Author(s): 志波光晴, 何東風, 内一哲哉, 高木敏行, 小林悌
  • Organizer: 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム（日本非破壊検査協会）
  • Place of Presentation: 沖縄青年会館
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-17
• [Presentation] ロケットエンジン燃焼器用銅合金の電磁気による欠陥検出・損傷評価 (2014)
  • Author(s): 志波光晴、何東風、早川正夫、佐藤英一、小林悌宇
  • Organizer: 平成26年度第2回電磁応用現象・解析評価研究委員会
  • Place of Presentation: 九州大学超伝導システム科学研究センター
  • Year and Date: 2014-11-20
• [Presentation] Cu-Cr-Zr合金大振幅クリープ疲労における損傷進展過程の組織観察 (2014)
  • Author(s): 堀恭暢, 出口雅也, 森野美樹, 佐藤英一, 戸部裕史
  • Organizer: 日本銅学会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [Presentation] Damage Evaluation of Cu-Alloy Combustion Chamber of Liquid Rocket Using ECT (2014)
  • Author(s): Mitsuharu Shiwa, Donfeng He, Masao Hayakawa, Sinich Moriya, Teiu Kobayashi
  • Organizer: 11th International Conference pon Flow Dynamics
  • Place of Presentation: Sendai International Center
  • Year and Date: 2014-10-08 – 2014-10-10
• [Presentation] Quantiative rocket chamber life prediction based on multi-physics simulation (2014)
  • Author(s): M.Nishimoto, H.Negishi, S.Yoshimura, N.Kasahara, H.Akiba
  • Organizer: The 1st International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2014)
  • Place of Presentation: Sendai International Center
  • Year and Date: 2014-04-13 – 2014-04-16
• [Presentation] Cu-Cr-Zr系銅合金のクリープ疲労損傷過程の解明 (2013)
  • Author(s): 原田隆義，今井周平 川合伸明，佐藤英一
  • Organizer: 日本材料学会第６２期通常総会･学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
• [Presentation] Cu-Cr-Zr系銅合金のクリープ疲労損傷過程の解明 (2013)
  • Author(s): 原田隆義 堀恭暢 佐藤英一
  • Organizer: 日本銅学会第53回講演大会
  • Place of Presentation: 関西大学
• [Presentation] Cu-Cr-Zr系銅合金のクリープ疲労損傷過程の解明 (2013)
  • Author(s): 原田隆義 佐藤英一
  • Organizer: 日本金属学会高温変形の学校
  • Place of Presentation: ラフォーレ蔵王
• [Presentation] 応力保持型クリープ疲労によるロケットエンジン用Cu-Cr-Zr合金の劣化損傷挙動 (2013)
  • Author(s): 原田隆義、今井 周平、川合伸明、佐藤英一
  • Organizer: 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] 応力保持型クリープ疲労によるロケットエンジン用 Cu-Cr- Zr 合金の劣化損傷挙動 (2012)
  • Author(s): 今井周平、原田隆義、北薗幸一、川合伸明 、佐藤英一
  • Organizer: 日本金属学会2012年秋期(第151回)講演大会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
• [Presentation] Cu-Cr-Zr合金のクリープ疲労損傷課程における負荷環境条件の影響 (2012)
  • Author(s): 原田隆義、今井周平、川合伸明、佐藤英一
  • Organizer: 銅学会大52回講演大会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
• [Presentation] ロケットエンジン燃焼室銅合金の熱疲労特性 (2012)
  • Author(s): 柳翔吾, 今井周平, 川合伸明, 佐藤英一
  • Organizer: 日本金属学会2012年春期(第150回)大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学常盤台キャンパス
• [Presentation] ロケットエンジン燃焼室銅合金の熱疲労特性 (2011)
  • Author(s): 柳翔吾, 今井周平, 川合伸明, 佐藤英一
  • Organizer: 第51回銅及び銅合金技術研究会講演大会
  • Place of Presentation: 京都府京都市