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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

Research Project

Project/Area Number 18H01624
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

横田 久美子  神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田川 雅人  神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
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)
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
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。

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。

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

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(44 results)

All 2022 2021 2019 2018 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (39 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Laser-detonation hyperthermal beam source applicable to VLEO environmental simulations2022

    • Author(s)
      Masahito Tagawa, Ryota Okura, Wataru Ide, Sasuga Horimoto, Keisuke Ezaki, Atsushi Fujita, Kosuke Shoda, Kumiko Yokota,
    • Journal Title

      CEAS Space Journal

      Volume: 14

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  • [Journal Article] Anisotropic molecular scattering at microstructured surface for rarefied gas compression inside air breathing ion engine2022

    • Author(s)
      Kosuke Shoda, Naoki Kano, Yuki Jotaki, Keisuke Ezaki, Kazuki Itatani, Takashi Ozawa, Yusuke Yamashita, Kazutaka Nishiyama, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • Journal Title

      CEAS Space Journal

      Volume: 14

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of simultaneous N2 collisions on atomic oxygen-induced polyimide erosion in sub-low Earth orbit: comparison of laboratory and SLATS data2021

    • Author(s)
      Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Yusuke Fujimoto, Wataru Ide, Yugo Kimoto, Yuta Tsuchiya, Aki Goto, Kazuki Yukumatsu, Eiji Miyazaki, Shunsuke Imamura
    • Journal Title

      CEAS Space Journal

      Volume: 13 Pages: 389-397

    • NAID

      120007124107

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  • [Presentation] Accelerated AO-induced polyimide erosion in VLEO by simultaneous collisions of hyperthermal N2 molecules2021

    • Author(s)
      Sasuga Horimoto, Atsushi Fujita, Wataru Ide, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • Organizer
      1st International Symposium on VLEO Missions and Technologies, Manchester, UK, June 28-29, 2021
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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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    • Int'l Joint Research
  • [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] Effect of direct atomic oxygen exposures on carbon nanotube field emission cathode: comparison of flight data and in-situ ground-based experiment2021

    • Author(s)
      Kazuki Itatani, Keisuke Ezaki, Fukami Yuki, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Yasushi Ohkawa, Satomi Kawamoto
    • Organizer
      2nd Applied Space Environments Conference, November 1-5, 2021, Online
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    • Int'l Joint Research
  • [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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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct simulation Monte Carlo evaluation of hyperthermal molecular flow in air breathing ion engine2019

    • Author(s)
      Naoki Kano, Ryo Shirakawa, Momoka Shimoi, Takashi Ozawa,
    • Organizer
      Joint Symposium of 32nd International Symposium on Space Technology and Science and 9th Nano-Satellites Symposium
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of ionization gauge for in-orbit measurement of molecular density2019

    • Author(s)
      Momoka Shimoi, Ryota Okura, Ryo Shirakawa, Naoki kano, Shunsuke Imamura
    • Organizer
      Joint Symposium of 32nd International Symposium on Space Technology and Science and 9th Nano-Satellites Symposium
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  • [Presentation] Particle simulations of ECR plasma generation in air breathing ion engine2019

    • Author(s)
      Ryo Shirakawa, Hideyuki Usui, Yohei Miyake, Masahito Tagawa, Kazutaka Nishiyama
    • Organizer
      Joint Symposium of 32nd International Symposium on Space Technology and Science and 9th Nano-Satellites Symposium
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study of rarefied aerodynamics for super low altitude satellites2019

    • Author(s)
      Takashi Ozawa, Shunsuke Imamura, Masahito Tagawa, Kazuhisa Fujita
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      Joint Symposium of 32nd International Symposium on Space Technology and Science and 9th Nano-Satellites Symposium
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  • [Presentation] 国際宇宙ステーション材料曝露試験における原子状酸素フルーエンス過小評価の可能性2019

    • Author(s)
      横田久美子、白川遼、井出航、岩田稔、木本雄吾、田川雅人
    • Organizer
      第40回日本熱物性シンポジウム
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  • [Presentation] 衛星搭載用超低地球軌道分子数密度測定装置の開発2019

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      下位百香、松岡弘洋、小澤宇志、西山和孝、今村俊介、横田久美子、田川雅人
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      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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      加納直起、江塚風也、白川 遼、下位百香、小澤宇志、今村俊介、西山和孝、横田久美子、田川雅人
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      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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      江塚風也、加納直起、白川 遼、下位百香、小澤宇志、今村俊介、西山和孝、横田久美子、田川雅人
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      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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      白川 遼、山下 裕介、神田大樹、細田聡史、月崎 竜堂、田川雅人、西山和孝
    • Organizer
      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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  • [Presentation] 超低軌道環境下におけるポリイミド反応効率:地上試験結果と軌道上計測結果について2019

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      井出 航、藤田敦史、土屋祐太、後藤亜希、行松和輝、宮崎英治、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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  • [Presentation] 超低軌道環境下におけるポリイミド反応効率:SLATS/AOFSデータ解析結果2019

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      藤田敦史、井出 航、土屋祐太、後藤亜希、行松和輝、宮崎英治、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      第56回日本航空宇宙学会 関西・中部支部合同秋期大会
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  • [Presentation] 原子状酸素照射の均一性改良と照射省力化に向けた検討2019

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      深見侑希、岩田 稔、横田久美子、田川雅人
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      横田久美子、大倉僚太、藤本友介、田川雅人
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      Yusuke Fujimoto, Ryota Okura, Kazuki Kita, Minoru Iwata, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
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      Ryota Okura, Yusuke Fujimoto, Kazuki Kita, Minoru Iwata, Chee Sze Keat, Yugo Kimoto, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
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      Ryo Shirakawa, Hideyuki Usui, Yohei Miyake, Masahito Tagawa, Kazutaka Nishiyama
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      Kumiko Yokota, Kazuki Kita, Ryota Okura, Teppei Shimizu, Sze Keat Chee, Minoru Iwata, Masahito Tagawa
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      Masahito Tagawa, Kazuki Kita, Ryota Okura, Yusuke Fujimoto, Ryo Shirakawa, Teppei Shimizu, Minoru Iwata, Kumiko Yokota
    • 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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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhancement of atomic oxygen resistance of charge dissipative ion beam treated polymers2018

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      Z. Iskanderova, J. Kleiman, F. Bussieres, M. Tagawa, R. Ng, R. Sodhi
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      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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    • Int'l Joint Research
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    • Author(s)
      Minoru Iwata, Masahito Tagawa, Sumitaka Tachikawa, Issei Kato, Takayuki Hirose
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      Alexandre Simon, Minoru Iwata, Masahito Tagawa, Sumitaka Tachikawa
    • 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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  • [Presentation] 超低軌道環境における中性ガス衝突誘起材料劣化現象メカニズムの解析2018

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      横田久美子、田川雅人
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  • [Presentation] 原子状酸素ビーム照射試験における残留未解離酸素分子の影響2018

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      横田久美子、北 一貴、藤本友介、大倉僚太、田川雅人
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      第79回応用物理学会秋季学術講演会
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      小柴康子, 横田久美子,西本卓馬, 堀家匠平, 福島達也, 田川雅人, 石田謙司
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      第79回応用物理学会秋季学術講演会
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      藤本友介、井出航、大倉僚太、岩田稔、土屋佑太、後藤亜季、行松和輝、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      田川雅人、藤本友介、大倉僚太、白川遼、井出航、横田久美子、Kim K. de Groh, Bruce A. Banks
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      横田久美子、大倉僚太、藤本友介、岩田稔、田川雅人
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      田川雅人、横田久美子
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      大倉僚太、藤本友介、清水鉄平、岩田稔、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      藤本友介、井出航、大倉僚太、岩田稔、土屋佑太、後藤亜希、行松和輝、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      藤本友介、井出航、大倉僚太、岩田稔、土屋佑太、後藤亜希、行松和輝、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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      大倉僚太、藤本友介、清水鉄平、岩田稔、木本雄吾、横田久美子、田川雅人
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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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    • URL

      http://www.space-environmental-effect.jp/index.html

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URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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