ロケット燃焼室の極低サイクル疲労とクリープ相乗による急速損傷蓄積機構の全容解明

2018 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02427
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 佐藤 英一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (40178710)
• 研究分担者: 早川 正夫 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (50354254) ; 竹腰 正雄 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (60371126) ; 森谷 信一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (90392844) ; 西元 美希 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (40450704) ; 堀 秀輔 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 第一宇宙技術部門(旧、輸送本部), 主任研究開発員 (90744087) ; 志波 光晴 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料基礎基盤分野, 上席研究員 (70242120)
• 研究協力者: 戸部 裕史 ; 杉田 一樹 ; 内一 哲哉
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ロケットエンジン / 銅合金 / クリープ疲労 / 累積損傷 / 非破壊検査 / 寿命予測

研究成果の概要

ロケットエンジン内筒の銅合金は、着火停止時の大ひずみ振幅極低サイクル疲労と定常燃焼中の定応力クリープ変形が重畳し、急速な損傷蓄積が生じる。クリープ疲労試験において、時効材と焼鈍材どちらも、単純クリープ試験・単純疲労試験と比較し大きな寿命低下が見られた。その原因は、各サイクル毎に遷移クリープが発現することと、寿命後期に疲労亀裂とクリープボイドが合体・連結する、という二つである。特に焼鈍材においては逆遷移クリープが出現した。
途中止めクリープ疲労試験片に対し、渦電流探傷法、非線形超音波法、陽電子消滅法、レプリカ法の各種非破壊検査手法を適用し、累積損傷度の定量的推定を行った。

自由記述の分野

宇宙用構造材料

研究成果の学術的意義や社会的意義

ロケットエンジンひいてはロケットの繰り返し再使用を実現しようとする上で、寿命の短いエンジン内筒の健全性評価や余寿命評価技術を確立することが求められている。本研究の成果は、ロケットエンジンの試験間・飛行間の点検でエンジンの健全性を保障し、航空機エンジン並みに低コストで、安全・確実な繰り返しオペレーションの構築に寄与するものである。