超低高度に適用可能な高強度混合原子線照射技術と「つばめ」搭載超低軌道材料劣化解析
| Project/Area Number |
18H01624
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2018: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | 原子状酸素 / 超低地球軌道 / SLATS / 地球高層大気 / 地上試験 / 超低軌道宇宙環境 / SLATS（つばめ） / 窒素分子 / 材料劣化 / 分子散乱 / 大気抵抗 / つばめ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は申請者が科研費の支援により世界で初めて開発した超低軌道宇宙環境模擬技術（非熱平衡系多成分高速原子分子ビーム形成技術）により得られた知見をベースに、ワンノズル・ツービーム方式により大フラックス化して、実際の超低軌道上環境曝露試験の結果と比較するものである。そのため、「つばめ（SLATS）」による軌道上曝露試験の実施タイミング（2018年度開始）と合わせて研究を実施することに大きな意味がある。SLATSは2017年12月に打ち上げられ、2019年10月1日に成功裏に全ミッションを終了した。材料劣化に関わるAOFSならびにMDMミッションはいずれもエクストラサクセスを達成し、本研究のリファレンスデータとなり得る世界初の超低軌道における材料劣化現象の観測に成功した。SLATS運用中におけるリアルタイムのデータ解析としては、高時間分解能観測が可能なAOFSデータ解析を優先したため、MDM画像解析は非優先とされた。そのため、MDM画像データの引渡しが2020年3月にずれ込み、画像データの解析は2020年度に持ち越された。
一方、レーザーデトネーション型原子状酸素ビーム発生装置の改造による原子状酸素と窒素分子の超高強度同時照射技術の開発については、2019年度にワンノズル・ツービームを実現するための、パルスバルブおよびノズルシステムの改造を行った。超熱原子状酸素ビームと超熱アルゴンビームを単一ノズルから発生させることに成功し、2020年度に実施するSLATS地上対照試験に向けた準備がほぼ完了した。
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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
本研究で最も重要なポイントは超低軌道に対応した原子ビームの高強度化である。しかしながら、イオンとは異なり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、宇宙環境試験の定量性を低下させる大きな原因となっている。原子状酸素に対してはポリイミドのエロージョン量から評価する手法がASTMで推奨されているが、その精度については疑問が呈されている。そこで混合原子ビーム各成分のエネルギーを測定する際に使用する飛行時間スペクトル(TOF)面積強度等からビーム中の各成分強度を解析する手法について検討を行い、超低軌道環境試験の定量的精度の向上を行った。また、ビーム軸に取り付けられた四重極質量分析管のイオン化室におけるイオン化割合の差を補正するため、イオン化イールドを独自に計測した。さらに、ワンノズル・ツービーム法を採用することにより原子状酸素とアルゴンや窒素の分子飛行行路を共通とし、四重極質量分析管の検出効率を一定として定量化の精度向上を行った。その他、電離真空計を用いた全圧計測や、新規原理に基づく原子状酸素センサー等も併用することによりビーム中の分子密度（フラックス）の推定を多角的に行いつつある。
SLATS搭載MDMミッションに関しては、画像データの引渡しが終了し、今後、画像データ解析を本格的に実施する予定である。現在、新型コロナウイルスの影響により、大学院生等によるデータ解析計画に若干の遅延が生じているが、感染が終息すれば2020年度内での遅延回復が可能な状態である。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2020-2021年度には、SLATS/MDMミッションならびにAOFSミッション解析を主として行う。これらのミッションは世界初の超低軌道材料劣化試験であり、解析により得られた結果は世界初の知見となることから、本学術分野への貢献が非常に大きいためである。残念ながらSLATS/MDMミッションでは機体による遮蔽効果が当初の予想よりも大きかったため、サンプルへの原子状酸素曝露量が小さくなり、期待していた試料の破断が観察されなかった。しかしながら、ミッション最終段階には変色等の変化が捉えられたため、画像データの詳細解析を行うことで、これまでのフライトデータとは異なる宇宙環境での新たな知見が得られるものと期待される。
一方、これに平行してFY2019年度までに構築したワンノズル・ツービームシステム等を用いて、SLATS/MDM搭載サンプルに対する地上対照試験を実施する。超低軌道領域での材料劣化地上試験方法について、フライトデータと科学的理論に裏づけされたプロトコルを確立することは、今後の超低高度宇宙機開発に向けて極めて重要であることから、本研究ではJAXA担当者とも綿密に協力しつつ、衛星設計標準に結果をフィードバックすることで、将来の長寿命超低高度衛星システムを実現するための方策を確立する。
ただし、上記の研究計画は国内外での新型コロナウイルスの感染拡大状態に大きく依存するため、感染状況に応じて臨機応変に研究計画の見直しつつ対処する。
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Report
(2 results)
Research Products
(35 results)
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[Presentation] Kapton erosion yields in various flight environments2019
Author(s)
Wataru Ide, Yusuke Fujimoto, Kim K. de Groh, Bruce A. Banks, Yuta Tsuchiya, Kazuki Yukumatsu, Aki Goto, Eiji Miyazaki Yugo Kimoto, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
Organizer
Joint Symposium of 32nd International Symposium on Space Technology and Science and 9th Nano-Satellites Symposium
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[Presentation] One-nozzle two-beam laser-detonation system2018
Author(s)
Kumiko Yokota, Kazuki Kita, Ryota Okura, Teppei Shimizu, Sze Keat Chee, Minoru Iwata, Masahito Tagawa
Organizer
14th International Symposium on Materials in the Space Environment/12th International Conference on protection of Materials and Structures in a Space Environment
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[Book] 最新実用真空技術総覧2019
Author(s)
田川雅人、横田久美子 他、分担執筆
Total Pages
1084
Publisher
エヌ・ティー・エス、東京
ISBN
9784860435592
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