2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of leak barrier layer and cryogenic test demonstration for cryogenic composite tanks of lightweight spacecrafts
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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、樹脂割れに強い複合材薄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ことを目的とした。
まず、極低温まで含めた材料特性の温度依存性を明らかにし、材料の弾性率と熱膨張率の温度依存性も考慮した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て計算を行った。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、3層程度の薄層で構成されるリークバリア層が加わることにより積層板の耐漏洩性が高くなることが分かった。
3層のリークバリア層を含んだ積層板の二軸負荷試験/漏洩試験を実施するため、十字型の試験片を製作し、比較用としてリークバリア層がない積層板試験片の製作も行った。これらの試験片を用いて、常温及び極低温で二軸負荷試験/漏洩試験を実施し、どちらの温度でもリークバリア層があることにより、耐漏洩性が向上することが実験的に実証できた。
実験結果を用いて、損傷モデルの有効性を検証した結果、リークバリア層がない積層板の初期漏洩発生ひずみの予測は精度よくできることが分かった。リークバリア層がある積層板の初期漏洩発生ひずみについては定量的な予測はむつかしかったが、定性的な予測は可能であった。この定量的な予測の難しさについては、薄層を含むリークバリア層の破壊メカニズムが、通常層厚より複雑であることが原因であり、薄層を含む積層板の解析についてのより詳細な検討を今後進める必要があることが分かった。
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