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 / 材料劣化 / 超低軌道宇宙環境 / SLATS（つばめ） / 窒素分子 / 分子散乱 / 大気抵抗 / つばめ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
世界的に注目されている超低軌道領域の開拓には従来の1000倍にも及ぶ濃密な原子状酸素密度に加えて、高度に応じた窒素分子割合を再現できる地上試験技術の開発が要求さている。そこで本研究では超低軌道宇宙環境模擬技術をベースに本申請者が独自に考案したワンノズル・ツービーム方式によってビームを大フラックス化して、「つばめ（SLATS）」によって得られる世界初の超低軌道上環境曝露試験の結果と比較・解析を実施しようとするものである。具体的には、（１）地上対象実験用原子状酸素と窒素分子の超高強度同時照射技術の開発、（２）SLATS/MDMに搭載した本研究グループの試料劣化状態と地上実験結果を直接比較、（３）ExHAM/MDM2（ISS軌道）及びSLATS/MDMと本研究結果を統合することで高精度な宇宙環境地上実験を実施する上での宇宙環境模擬に関する基盤的技術の獲得、を目指すものである。FY2019には、地上対象実験に用いるワンノズル・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い、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た。一方、フライトデータについてはJAXAから提供されたAOFSデータ解析を実施した。FY2020にはJAXAから提供されたAOFSのデータ解析を継続するとともに、大気モデルから推定したN2密度が材料劣化に与える影響をフライトデータから解析するとともに。新たに提供されたMDM画像データの解析方法についても検討を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究で最も重要なポイントの１つ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うとともに、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に保った上で定量化の精度向上を行った。SLATS搭載AOFSミッションについては、大気モデルとの詳細な比較検討を行ったところ、大気モデル側にもかなりの誤差が含まれている可能性があること、SLATS構体下面に取り付けられているMDMでは構体遮蔽効果が予想外に影響を及ぼしていることなどが明らかになった。SLATS搭載MDMミッションに関しては、JAXAから提供された画像データから、打ち上げ前に期待されていた試料の破断は観察されず、抜本的な解析方法の再構築が必要であることが明らかになった。現在まで、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や、国際会議の延期等が発生しており、これらがプロジェクト遅延の主な要因である。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2020-2021には、SLATS/AOFSミッション解析を主として実施する。これはSLATS/MDMの結果が予想外であり、解析方法の再構築に時間を要すると考えられるためである。換言すれば、この予想外の結果の中には世界初の知見が含まれている可能性があり、本学術分野への非常に大きな貢献が期待される。一方、SLATS/AOFSでは構体遮蔽効果の詳細な解析を実施できる可能性があり、これを含有したMDM解析を実施できれば、軌道上曝露試験法に対する重要な知見が得られる可能性が高いことから、MDMの解析の前にこの点に特化した解析を実施する予定である。一方、これに平行してFY2020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を見直しつつ対処する
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Report
(3 results)
Research Products
(44 results)
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[Presentation] Atmospheric density probe for VLEO applications2021
Author(s)
Taishi Kato, Shoma Taira, Momoka Shimoi, Kumiko Yokota, Yoshinori Nakayama, Takashi Ozawa, Masahito Tagawa
Organizer
1st International Symposium on VLEO Missions and Technologies, Manchester, UK, June 28-29, 2021
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[Presentation] Molecular scattering at microstructured surface for rarefied gas compression inside air breathing ion engine2021
Author(s)
Kosuke Shoda, Naoki Kano, Yuki Jotaki, Keisuke Ezaki, Kazuki Itatani, Takashi Ozawa, Yusuke Yamashita, Kazutaka Nishiyama, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
Organizer
1st International Symposium on VLEO Missions and Technologies, Manchester, UK, June 28-29, 2021
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[Presentation] AO density variations during geomagnetic anomaly observed by SLATS2021
Author(s)
Atsushi Fujita, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Wataru Ide, Sasuga Horimoto, Yugo Kimoto, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Yasunobu Miyoshi
Organizer
2nd Applied Space Environments Conference, November 1-5, 2021, Online
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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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