複合材料製極低温推進剤タンクの光ファイバセンサによる構造ヘルスモニタリング

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15360447
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 武田 展雄 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10171646)
• 研究分担者: 岡部 洋二 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助手 (90313006)
• キーワード: 複合材料 / 極低温 / 構造ヘルスモニタリング / 光ファイバ / FBGセンサ / 完全再利用型ロケット / ひずみ

研究概要

将来の宇宙輸送システムの一つとして、繰返し飛行が可能な完全再利用型ロケットが注目を集めており、その軽量化のために極低温推進剤タンクを複合材料で作製することが試みられている。ただし、複合材料の破壊のメカニズムは複雑であるため、その複合材料製タンクの健全性と信頼性を保証することが必要となる。そこで本研究では、複合材料製タンクに光ファイバセンサを組み込み、リアルタイムで健全性を監視できるヘルスモニタリング技術を構築することを目的とする。
具体的には、まず、フィラメント・ワインディングでCFRP複合材料タンクを作製する際に、光ファイバを内部に埋め込む。その際、埋め込みによる構造部材自身の特性への悪影響を低減させるため、新たに開発した細径光ファイバFBGセンサ(外径52μm)を用いた。これによってひずみと温度の計測が可能となった。埋め込み手法の確立を試みる一方で、タンクのどの位置のどの層に埋め込むことがひずみや損傷の検出に最適なのかについても、FBGの応答を実験と解析の両面から確認することで検討した。
次に、FBGセンサからの反射光波長をひずみまたは温度に変換するためのシステムとして、チャープFBGフィルタを利用した、ロケット重量に影響を及ぼさない程度の極めて軽量な検波システムの開発を行った。また、FBGセンサによる測定対象に関しては、ひずみと温度を切り分けて測定するための技術や、CFRP複合材料中に発生した微視的損傷の検知技術について基礎的検討を行った。

研究成果

• [文献書誌] T.Toyama, T.Okabe, N.Takeda: "Lamb Wave Evaluation and Localization of Transverse Cracks In Cross-Ply Laminates"Journal of Material Science. Vol.38. 1765-1771 (2003)
• [文献書誌] S.Takeda, Y.Okabe, T.Yamamoto, N.Takeda: "Detection of Edge Delamination in CFRP Laminates Under Cyclic Loading Using Small-Diameter FBG Sensors"Composites Science and Technology. Vol.63. 1885-1894 (2003)
• [文献書誌] T.Mizutani, Y.Okabe, N.Takeda: "Quantitative Evaluation of Transverse Cracks in Carbon Fiber Reinforced Plastic Quasi-Isotropic Laminates with Embedded Small-Diameter Fiber Bragg Grating Sensors"Smart Materials and Structures. Vol.12. 898-903 (2003)
• [文献書誌] N.Tanaka, Y.Okabe, N.Takeda: "Temperature-Compensated Strain Measurement Using Fiber Bragg Grating Sensors Embedded in composite Laminates"Smart Materials and Structures. Vol.12. 940-946 (2003)
• [文献書誌] Y.Okabe, R.Tsuji, N.Takeda: "Application of Chirped Fiber Bragg Grating Sensors for Identification of Crack Locations in Composites"Composites. Part A Vol.35. 59-65 (2004)