2014 Fiscal Year Annual Research Report
繰り返し使用のためのロケットエンジン燃焼室銅合金の熱疲労解析による予寿命評価
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23246147
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| Research Institution | Japan Aerospace Exploration Agency |
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Principal Investigator |
佐藤 英一 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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西元 美希 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 情報・計算工学センター, 開発員 (40450704)
志波 光晴 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, グループリーダー (70242120)
竹腰 正雄 独立行政法人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)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ロケットエンジン燃焼室はLH2冷却溝を有する銅合金を内筒とし、この冷却溝壁は3000Kの燃焼ガスと20KのLH2に曝され、起動停止ごとに大きな温度勾配とそれに伴う過大な熱ひずみが生じる。地上燃焼試験において少ない燃焼サイクルで冷却溝からき裂の発生が確認されたことがあり、この劣化損傷過程の解明および余寿命評価はロケットエンジンの信頼性確保に不可欠である。
燃焼室の三次元有限要素解析を行ったところ、燃焼室銅合金は、起動停止に伴う塑性域大ひずみ疲労に加えて、定常燃焼中には極低ひずみ速度の引張変形を受けていることが明らかとなった。そこで、通常行われるひずみ保持（応力緩和）型クリープ疲労ではなく、応力保持型クリープ疲労試験を行ったところ、塑性域疲労とクリープ変形が重畳して、線形加算則で推測されてきたよりも短寿命で破断することが確認された。
クリープ疲労中の微視組織観察により、クリープ疲労における急速な損傷蓄積は、以下のメカニズムで起きることが明らかになった。クリープ疲労条件では、各サイクル毎に遷移クリープが発現し、この積み重ねによって、粒界クリープボイドの発生・成長・合体が促進される。一方単純疲労条件では、疲労クラックが試料表面で発生し、粒界に沿って材料内部へと進展し、破断に至るが、クリープ疲労条件では、材料内部に進展した疲労クラックがクリープボイドと連結することで、劣化損傷が大幅に加速される。
また、損傷評価のため、多重周波数渦電流探傷装置及び広帯域AMRセンサを開発した。そして導電率の定量測定法により、熱時効による導電率変化を測定したとともに、常温疲労試験による塑性変形及び表面き裂の発生に対応する信号変化を検出した。
この成果により、ロケットエンジンの設計・評価において、この損傷蓄積メカニズムを踏まえた上でより信頼性の高いロケットエンジンを開発することが可能となった。
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| Research Progress Status |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
26年度が最終年度であるため、記入しない。
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