Under-estimation of space environmental effects on materials in ground-based studies and new testing standards
| Project/Area Number |
19K22017
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 地球高層大気 / 原子状酸素 / 窒素分子 / ポリイミド / 宇宙環境 / 材料劣化 / 地上試験 |
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| Outline of Research at the Start |
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おり、軌道上試験・地上模擬試験を用いた研究が行われてきたが、両者の結果には不整合が報告されている。さらに最近の研究ではこれまで考慮されてこなかった窒素分子の同時衝突が、材料劣化に大きな影響を与えることが報告されている。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に新規原子状酸素センサー等を用いることにより、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。
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| 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おり、軌道上試験・地上模擬試験を用いた研究が行われてきたが、両者の結果には不整合が報告されている。さらに最近の研究ではこれまで考慮されてこなかった窒素分子の同時衝突が、材料劣化に大きな影響を与えることが報告されている。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ることにより、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する。
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用いられているが、その値が信頼できないことが全ての問題の発端である。そこで国内では本研究グループのみが保有する飛行時間（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。また、新規な原理に基づく原子状酸素密度計測法の適用についても検討する。FY2019年度には上記手法に対する検証を行うとともに、SLATSフライトデータの詳細解析によりポリイミド劣化量とは独立に原子状酸素量を推定する方法について検討した。ポリイミドの反応効率の環境依存性を明確化するため、ポリイミド質量減少量をビーム中に含まれる未解離酸素分子量等を用いて整理し、未解離酸素分子や低軌道における窒素分子の同時衝突によるポリイミド加速劣化効果を定量化しつつある。これらの解析は四重極質量分析管を具備したビーム診断装置を有する本研究グループにしか行えない解析手法である。
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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
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おり、軌道上試験・地上模擬試験を用いた研究が行われてきたが、両者の結果には不整合が報告されている。さらに最近の研究ではこれまで考慮されてこなかった窒素分子の同時衝突が、材料劣化に大きな影響を与えることが報告されている。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ることにより、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するものである。
FY2019にはレーザーデトネーション装置における原子状酸素ビームフラックスの定量化という観点から、飛行時間（TOF）スペクトル面積強度による原子状酸素ビーム強度の相対評価、電離真空計を用いたフラックス計測装置の検討、さらに衛星大気抵抗を利用したフライトデータからの大気密度の算出等について検討を行った。その結果、Flux-weighted TOFスペクトルの面積強度がポリイミドから求めたビームフラックスを比較的良く表していそうなこと、衝突エネルギーによりフラックス補正係数が変化すること、衛星大気抵抗から求めた大気分子密度はポリイミドエロージョンから推定した大気密度よりも大きくなることなどが明らかになった。また、レーザーデトネーション装置ではサンプル位置によりビーム強度が50%程度変化していることも明らかになった。
新規な原理に基づく原子状酸素密度計測については私用するセンサーの選定中である。一方、SLATSフライトデータについてはポリイミド質量減少量からの原子状酸素密度計測には既に成功しているが、ポリイミド質量変化とは独立に原子状酸素量を評価するデータ解析に時間を要している。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2020-2021年度には、FY2019年度に得られたデータをベースに、さらにビームフラックスの高精度化に向けた検討を実施する予定である。Flux-weighted TOFスペクトルの面積強度とポリイミド質量変化量の定量的関連性や衝突エネルギー依存性について詳細な検証を行うとともに、電離真空計に独自の気蓄室を取り付けるアイデアや新規センサーの活用等についても検証を行う。一方、超低高度衛星の大気抵抗から求めた地球高層大気分子密度とポリイミドエロージョンレートから推定した大気密度、さらにはNRLMSISE-00大気モデルの予測値との関連性についても検討を行う。特にフライトデータを元にポリイミドが基準材料と決定された経緯や定量化のプロセスなどについても追跡を行う予定である。本研究成果を国際基準に反映するために、本申請者が国内委員会の委員長を務めるTC20/SC14「耐原子状酸素コーティング」国内委員会のメンバーとも議論を深める。なお、これらの研究計画はオンサイトでの実験が必要であるため、研究の進捗は国内外における新型コロナウイルスの感染状態に大きく依存することになる。そのため、新型コロナウイルスの感染状況に応じて臨機応変に研究計画の見直しを行う予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(17 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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Int'l Joint Research
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