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 2020)
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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 / 材料劣化 / 宇宙環境 / 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している。
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。FY2019-2020年度には上記手法に対する検証を行うとともに、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・検証した。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の定量化を行った。その結果、地上実験ではビーム中の高エネルギーアルゴン分子の存在比率に対してポリイミド劣化速度が線形的に増加することが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
宇宙用材料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。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を行った。その結果、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ること等が明らかになった。FY2020年度にはレーザーデトネーション装置で形成した超熱原子状酸素、アルゴン混合ビームのアルゴン組成とポリイミドの原子状酸素反応イールドを計算した。その結果、原子状酸素の量が不変でもアルゴン量を増大させるとポリイミド劣化が増速されることが明らかになった。このことは衝突誘起脱離プロセスが反応律速過程であることを示唆するものであったが、新型コロナウイルスの蔓延により実験が遅延したため、詳細な実験はFY2021年度に実施する予定である。一方、FY2020年度に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った結果、NRLMSISE-00大気モデルの定量性が極めて低いことが大きな問題としてにわかにクローズアップされた。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2021年度には、FY2019-2020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測定に向けた検討を実施する。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市販オゾンセンサー、触媒反応等の活用等についても検証を行う。一方、FY2020年度に超低高度衛星の大気抵抗および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った結果、NRLMSISE-00大気モデルの定量性が極めて低いことが大きな問題としてにわかにクローズアップされた。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った結果、材料劣化基準値の決定にはNRLMSISE-00モデルが使用されおり、全ての宇宙実験の定量性はこのモデルの精度に依存していることが明確になった。これらの事実は本研究分野でこれまで広く信じられてきた基準の信頼性を大きく揺るがすものであり、そのため、急遽観測ロケットS-520-32号機に大気密度計測プローブを搭載し、大気密度のその場観測によりNRLMSISE-00モデルの定量性の検証を行うことを検討している。本研究の範疇でロケット搭載型大気プローブの開発も含めることにより、地上実験のみならず独自の宇宙実験データを併用して、更なるデータ取得を目指す。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、これらの研究計画にはオンサイトでの実験が必要であるため、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。
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Report
(2 results)
Research Products
(39 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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