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

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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。