2017 Fiscal Year Research-status Report
軽量宇宙機用極低温複合材タンクのためのリークバリア層の開発と極低温試験実証
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17K06953
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
熊澤 寿 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (20344252)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横関 智弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50399549)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 構造・材料 / 複合材料 / 極低温推進剤タンク / マトリックスクラック / 推進剤漏えい |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、樹脂割れに強く薄い複合材層を活用したリークバリア層を解析的に求め、リークバリア層を含んだ複合材料試験片の極低温負荷試験/漏えい試験による実証を行い、本研究成果を極低温推進剤タンクの複合材料化に活用できることを示す。
本年度は樹脂割れが発生しにくく、耐漏えい性が高いリークバリア層の特徴を有限要素法を用いて計算した。また、基礎特性取得用試験片とリークバリア層を含んだ試験片の設計・製作を行った。
計算においては層厚をパラメータとして数種のリークバリア層をまず設定し、熱膨張率も考慮してリークバリア層をモデル化を行った。リークバリア層の中でひとつの層でも樹脂割れが発生しなければ、漏えいが発生しないことを考慮し、評価を行った。樹脂割れによるリークバリア層内を貫通したリークパスの形成を極低温環境と二軸荷重が加わる場合について解析的に評価した。設定した複数のリークバリア層の解析結果を比較し、層が薄く、単軸荷重負荷でリークパスが形成されにくいことが分かった。また、極低温においては、リークパスが形成されやすくなるが、層が薄いことでリークバリア性能が極低温においても高くなることが確認できた。
複合材料の繊維方向と繊維に直角方向の弾性率と熱収縮には大きな差があり、温度による変化も顕著であり、極低温損傷解析モデルを構築するための材料特性データが必要である。そのため、複合材料の基礎材料特性である一方向材の材料特性の温度依存性を測定するための試験片母材の製作を行った。また、リークバリア層の耐漏えい特性の確認のため、リークバリア層を含んだ積層板試験片の製作を行った。リークバリア層は層数などもパラメータとして設定し、実験では二軸負荷を加えることを考慮して十字型の試験片形状とした。これら試験片を用いた実験の実施は、平成30年度に実施予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、数値解析と実験からなっており、解析については計画通り進んでいる。
実験に関しては、基礎的材料特性に用いる試験片の材料入手・製作に時間かかることがわかり、平成29年度に行う基礎材料特性の取得を平成30年度に実施することとし、平成30年度に行う二軸負荷可能な十字型試験片の製作を先行して平成29年度に行うこととした。
試験片製作と実験のタイミングの入れ替えだけなので、最終年度である平成31年度の計画に影響がなく、進捗状況としては問題ない。
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| Strategy for Future Research Activity |
解析においては、積層板全体の損傷の影響も含め、より効率的なリークバリア層の構成を計算する。計算には通常層厚の部分に発生する亀裂がリークバリア層に及ぼす影響も考慮して行う。リークバリア層は層数、積層構成、積層板中の位置(表面、中央など)をパラメータとして、リークバリア層を含んだ複数の積層板を設定し、極低温環境と二軸荷重を考慮した計算を行う。
実験においては、複合材料の一方向材の基礎材料特性の温度依存性を測定、およびリークバリア層の耐漏えい特性の実証と樹脂割れデータの取得を行う。リークバリア層の耐漏えい特性の実証においては、極低温環境における二軸負荷を行い、極低温タンクの実環境を模擬した状況でのリークバリア層による複合材料の耐漏えい特性の向上も明らかにする。
リークバリア層の実証試験において発生した損傷と、数値解析の結果を比較し、解析における損傷モデルの有効性の検証も行う。
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| Causes of Carryover |
試験片製作を先行して行い、実験を次年度としたので、実験用消耗品は次年度まとめて購入することとしたため次年度使用が生じた。次年度使用額は、実験用消耗品購入に充てる予定。
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Research Products
(12 results)
