| 研究課題/領域番号 |
20K22407
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| 研究機関 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 |
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研究代表者 |
秋月 祐樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主事補 (00887573)
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| 研究期間 (年度) |
2020-09-11 – 2022-03-31
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| キーワード | 宇宙機熱制御 / 軽量・小型 / 放射率可変 / 形状記憶合金 / ヒートパイプ |
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| 研究実績の概要 |
宇宙探査機は軌道周回時の日照・日陰に起因する短期的な熱環境変化に加え，太陽距離が大きく変化する惑星間航行時の長期的な熱環境変化に対応する必要がある．これに対応するデバイスとして，これまで搭載機器の温度や外部熱環境の変化に応じて表面の実効放射率を変化させるサーマルルーバやSRD等が多くの探査機に搭載されてきたが，質量が大きく構造が複雑である点や実効放射率のOn/Off比小さいといった点が課題であった．そこで本研究では小型・軽量かつ高On/Off比を兼ね備えた放射率可変デバイスを高熱伝導形状記憶合金の適用によって実現することを目的とし，研究に取り組んでいる．
具体的には，本研究で提案している形状記憶合金（SMA）を用いた放射率可変デバイスの要素試験・原理検証，SMAの高熱伝導化に向けたヒートパイプ型SMA（HPSMA）の加工方法検討・製作および性能評価までを2020年度で実施した．
可逆アクチュエータの要素試験では，SMAの高熱伝導化の準備段階として，曲げ応力が印可されている際のSMAの力学的特性を把握するために，円弧状のバイアスばねと組み合わせた可逆アクチュエータの加熱冷却試験を実施し，印可荷重とSMAの変態温度及び展開角度の相関関係を取得した．デバイスとしての有用性（放熱量可変性）実証においては，小型の放射率可変デバイスを製作し，熱真空チャンバにおいて簡易的な熱真空試験を実施した．熱源の温度に依存してブレードが展開収納し，実効放射率が変化することを確認し，ヒータ熱量を削減可能であることを示した．
SMAの高熱伝導化では，棒状に加工した単結晶SMAの内部をワイヤー放電加工にて細溝加工（溝幅：0.15 mm程度）を施し，作動流体としてアセトンを封入したHPSMAを試作した．試作したHPSMAを用いて熱負荷試験を実施し，ヒートパイプとして動作していることを確認した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では小型・軽量・高効率な放射率可変デバイスの実現を目的としており，これを達成するために初年度では，①本研究で新たに提案する放射率可変デバイスの有効性検証，②HPSMAの実現性検証を達成できるかが重要なポイントとなる．2020年度は，本研究で提案しているSMAを用いた放射率可変デバイスの要素試験・原理検証，SMAの高熱伝導化に向けたHPSMAの加工方法検討及び製作・性能評価までを実施し，概ね研究計画通りの進捗が得られている．
小型放射率可変デバイスの性能評価によりデバイスの有効性を確認できており，当初の計画以上の進展もみられる一方で，HPSMAの製作方法（溝幅設計，作動流体の封入量及び封入方法）を完全に確立できてはいないため，概ね順調に進展していると判断した．今年度の前半においてHPSMAの製作手法の最適化を実施する予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度となる2021年度は前述した目的の達成のために，（a）HPSMAの高熱伝導化および熱・構造特性解明，（b）放射率可変デバイスBBMの熱性能評価試験の2点の研究内容に取り組む．
（a）HPSMAの高熱伝導化および熱・構造特性解明：昨年度試作したHPSMAの溝幅及び作動流体封入量・封入方法を最適化し，更なる高性能化を図る．溝幅設計に関しては，簡易圧力損失モデルを用いた設計までが達成できており，今年度は計算モデルの詳細化に取り組む予定である．設作動流体の封入方法に関しては，昨年度は追い出し法にて封入を実施しており，より確実かつ正確に封入する方法を模索している段階である．また実際にデバイスに組み込むことを想定したHPSMAの設計及び熱的，構造的に成立させることが可能な設計方法を確立することを目指す．HPSMAとバイアスばねを組み合わせた高熱伝導アクチュエータとしての要素試験を実施し，変形量の温度依存性及び実効熱伝導率の取得を試みる．
（b）放射率可変デバイスBBMの熱性能評価試験：上記（a）の知見を活かした50 W級放射率可変デバイスを開発し，加熱冷却試験，熱真空試験において熱性能評価を実施する．詳細熱解析モデルを構築し，これを用いてデバイス設計および性能予測を実施する．加熱冷却試験は恒温恒湿槽にて実施し，HPSMA温度に依存して確実にブレードの展開収納が行われることを確認する．熱真空試験は熱真空チャンバにて実施し，熱真空環境下における基本的な放熱性能を取得，詳細熱解析モデルとの比較検証により，本デバイスの有効性を明らかにする．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
形状記憶合金のワイヤー放電加工が2020年度中に間に合わず，2021年度分の請求としたため，次年度使用金額が正となっている．4月時点で形状記憶合金のワイヤー放電加工は完了済みであり，繰り越し金額の一部は既に使用済みである．5月以降に再度ワイヤー放電加工を実施する予定であり，残額はそこで使用予定である．
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