| 研究概要 |
再利用型宇宙往還機の実現の成否は,炭素繊維強化複合材料(CFRP)などの複合材料の,機体構造への幅広い適用による重量軽減に依存する.特に,打ち上げ総重量の9割近くを占める極低温液体燃料を蓄える燃料タンクの軽量化が最も期待される.本研究では,積層板においてトランスバースクラック等の損傷が漏洩経路となって,液体燃料の板厚方向の漏洩が起こる可能性について,構造力学的な側面から実験的及び解析的に調べることを目的とした.その結果以下の成果が得られた.
1.トランスバースクラックが全層に存在する積層板を使ったヘリウム漏洩実験により,実際に燃料が漏洩し得ることを確かめ,その漏洩量が負荷荷重に依存することを見出した.逆に,クラックが全く発生しない層が一つでもあれば,漏洩量を拡散のみによる極めて低いレベルに抑えることができることを確かめた.
2.積層板を通る燃料漏洩量と荷重の関係について詳細に調べた結果,損傷の開口変位量等の構造力学的な指標を使うことで,漏洩量と荷重の関係を解析的に予測できる可能性があることを確かめた.また,積層板に作用する面内二軸荷重の荷重比率にも影響を受け得ることを予測し,実験で確かめた.
3.燃料漏洩の定量的な予測法について,構造力学的指標であるクラック開口量の解析的予測と,実験で得られた漏洩量の比較から,漏洩量の予測モデルの構築を進め,漏洩量の簡易予測法としてクラック開口量を使った予測モデルを考案し,これによって精度良く漏洩量を予測することができることを示した.
4.モデル構築の過程で行った詳細な実験と解析により,常温から極低温までの広範囲な温度条件下では,複合材料の材料定数が大きく変化するため,その温度依存性を正しく評価することの重要性を指摘した.特にこの研究で扱った漏洩量の予測においては,クラック開口変位量の高精度な予測が不可欠であるが,これも材料定数の温度依存性の影響を受けるため精度良い評価が必要であることも付記する.
以上より,積層板を透過する媒体の漏洩量について,従来は全く扱われていなかった構造力学的な観点から,クラック損傷の挙動を評価することで精度良い予測ができることを示した.
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