応力場伝播の可視化による超高速衝突損傷機構の解明およびデブリ衝突損傷抑制への応用

通过可视化应力场传播阐明超高速碰撞损伤机制及其在碎片碰撞损伤抑制中的应用

基本信息

批准号：
21K04479
负责人：
川合伸明
金额：
$ 2.66万
依托单位：
防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、深刻化する宇宙機とスペースデブリとの超高速衝突問題に対して、超高速衝突損傷の形成・進展機構を明らかにし、その知見に基づいた衝突損傷制御法を提案することにより、将来の宇宙機の耐スペースデブリ衝突性能向上に資することを目的としている。2022年度においては、研究実施計画に基づき「界面の導入による応力波伝播挙動の制御および、衝突損傷抑制・制御への応用」をテーマとして研究を推進した。超高速衝突実験は、2段式軽ガス銃により加速した高速飛翔体を衝突させることにより行った。透明材料を用いることにより、材料内部に生じる応力場と損傷を、偏光シャドウグラフ法および散乱光イメージング法によりそれぞれ可視化し、その進展過程を超高速度ビデオカメラにより撮影した。ターゲット材料には最も一般的なガラス材料であるソーダライムガラスおよび、耐衝撃透明材料として幅広く用いられているポリカーボネートを用いた。ターゲット内部の接合界面が超高速衝突損傷の形成過程に与える影響を評価するため、ターゲットの構造を前年度までの均一構造から弾道軸方向に複数の部材を重ね合わせ接着接合した構造へと変更した。ソーダライムガラスのみを重ね合わせたターゲットでは、衝突点から伝播する応力波が接合界面へと到達した際、界面を介して両側の部材に損傷が形成され、各部材内部に損傷伝播していくことが確認された。一方、ガラス部材間に中間層としてポリカーボネートを挿入したターゲットでは、応力波の界面への到達に際して、衝突点側界面では損傷が形成されるものの、下流側界面においては損傷形成は確認されず、界面を介しての損傷伝播が抑制される結果となった。本結果は、ソーダライムガラスのような脆性材料における衝突損傷において、応力波と界面の相互作用の重要性を示すと共に、接合条件のデザインにより損傷形成を制御できる可能性を示唆するものである。

This research aims to help improve the space debris collision resistance in the increasingly serious ultra-high-speed collision problem between spacecraft and space debris, by clarifying the mechanism of formation and development of ultra-high-speed collision damage and proposing a collision damage control method based on this knowledge, thereby contributing to the improvement of space debris collision resistance in future spacecrafts.在2022财政年度，根据“通过引入界面和碰撞损害抑制和控制的应用来控制应力波传播行为的主题”，根据研究实施计划进行了研究。超高速度碰撞实验是通过通过两阶段轻型燃气枪加速的高速弹丸来进行的。通过使用透明的材料，通过两极分化的阴影图和散射的光成像可视化材料内部发生的应力场和损坏，并使用超高的速度摄像机拍摄了进程过程。目标材料是苏打石灰玻璃，是最常见的玻璃材料和聚碳酸酯，被广泛用作抗冲击力的透明材料。为了评估目标内部键合界面对超高碰撞损害的形成过程的影响，目标结构从统一结构更改为前一年，再到多个成员在弹道轴方向上堆叠并粘合在一起的结构。在只有苏打石灰玻璃层的目标中，当从碰撞点传播到交界处的应力波到达连接界面时，两侧都通过界面形成损坏，并将损坏传播到每个成员的内部。另一方面，当聚碳酸酯被插入玻璃构件之间的中间层时，当应力波到达界面时，在碰撞点界面形成损伤，但在下游界面上没有确认损害，从而导致通过界面抑制损害传播。结果表明，在脆性材料（例如苏打石玻璃）中，应力波 - 接口相互作用在碰撞损伤中的重要性，并表明可以通过设计粘结条件来控制损伤形成的可能性。