Under-estimation of space environmental effects on materials in ground-based studies and new testing standards

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K22017
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2023-03-31
• Keywords: 地球高層大気 / 原子状酸素 / 窒素分子 / ポリイミド / 観測ロケット / 材料劣化

Outline of Annual Research Achievements

宇宙用材料・システムは宇宙環境の影響により特性変化・劣化を受けることが知られている。本研究課題ではレーザーデトネーション型原子状酸素環境模擬実験装置を用いてポリイミドを基準材料としている現状の国際基準の不完全性を明確化し、科学的に根拠のある新基準の確立・提案を目指すことを目標としている。一般に電気的に中性な原子ビームの正確なフラックス測定は困難であり、原子状酸素に対してはASTMでも便宜的にポリイミドのエロージョン量から評価する手法が推奨されているが、その値が信頼できないことが全ての不整合問題の発端である。そこで国内では本研究グループの装置にのみ取り付けられている原子線飛行時間（TOF）計測システムを用いて、TOFスペクトルの面積強度等から原子状酸素照射量の多角的評価を実施し、ポリイミド質量減少量と相互比較することにより原子状酸素フラックスを絶対評価する手法を確立することを目標にしている。FY2019-2021年度には上記手法に対する検証を行うとともに、超低高度衛星SLATSのフライトデータの詳細解析を実施した。ポリイミドの反応効率の環境依存性を明確化するためのDual-PSV法でのArビーム同時照射効果実験により確認された不活性分子の高エネルギー同時衝突によるポリイミド増速劣化現象を、N2同時衝突環境であるSLATSフライトデータでも確認することに世界で初めて成功した。これによりVLEOにおける材料劣化原因に新たな要素が追加され、既存の地上実験の問題点が明確化された。FY2022年度にはSLATSフライトデータの詳細解析の結果、既存の大気モデルから予測された大気分子密度とSLATS実測値に大きな乖離がある事が解析され、地上実験でリファレンスデータとされていた軌道上材料劣化データの解析にも重大な問題がある事が確認され、国際基準を変更する場合の基礎的データを得ることができた

Research Products

• [Presentation] Passive compression device in molecular flow by surface scattering: A key device for spacecraft intake system (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Yusaku Ashida Koki Sugimoto, Kosuke Shoda, Keisuke Ezaki, Kumiko Yokota, Takashi Ozawa, Yusuke Yamashita, Kazutaka Nishiyama
  • Organizer: The 5th International Workshop on Scattering of Atoms and Molecules from Surfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shielding effect of atomic oxygen by satellite structure observed on SLATS and its compensation for material exposure experiment (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Shohei Urakawa, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] N2-acceleration effect on atomic oxygen-induced polyimide erosion in sub-LEO observed by SLATS/AOFS (2022)
  • Author(s): Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Keisuke Ezaki, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yugo Kimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of neutral atmosphere environment on SLATS (2022)
  • Author(s): Yugo Kimoto, Yuta Tsuchiya, Eiji Miyazaki, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Shunsuke Imamura, Haruo Kawasaki, Masanori Sasaki, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Atsushi Fujita, Shohei Urakawa, Sasuga Horimoto, Santa Nishioka
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Space polymers erosion in simulated LEO and VLEO environments (2022)
  • Author(s): Zilina Iskanderova, Jacob Kleiman, Masahito Tagawa, Santa Nishioka, Sasuga Horimoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Materials in a Space Environment / 13th International Conference on Protection of Materials and Systems from Space Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Perspective on Atomic Oxygen Reaction with Thermal Control Materials in Space (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Kumiko Yokota
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Performance change of field emission cathode by atomic oxygen irradiation (2022)
  • Author(s): Keisuke Ezaki, Kazuki Itatani, Yuki Fukami, Yusaku Ashida, Yasushi Ohkawa, Satomi Kawamoto, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A research on material degradation of spacecraft in sub-low Earth orbit environment -An estimate of the contribution of inert molecule’s energy to the acceleration effect of the erosion of polyimide - (2022)
  • Author(s): Sasuga Horimoto, Santa Nishioka, Wataru Ide, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 13th Asian Thermophysical Properties Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface erosion of carbon-based materials in VLEO space environment: Collision-induced desorption by atmospheric N2 associated with oxidation by O (2022)
  • Author(s): Kumiko Yokota, Sasuga Horimoto, Wataru Ide, Santa Nishioka, Masahito Tagawa
  • Organizer: The 14th International Symposium on Atomic Level Characterization of New Materials and Devices ‘22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scattering behavior of atoms at polymer surface exposed to ISS space environment (2022)
  • Author(s): Masahito Tagawa, Keisuke Ezaki, Kosuke Shoda, Yusaku Ashida, Koki Sugimoto, Kumiko Yokota, Nozomu Kogiso, Hiroaki Tanaka
  • Organizer: The 14th International Symposium on Atomic Level Characterization of New Materials and Devices ‘22
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 神戸大学大学院工学研究科における宇宙環境研究のページ
  • URL: http://www.space-environmental-effect.jp/index.html