宇宙推進器用セラミックス材料における微小欠陥の形状/寸法を考慮した破壊強度評価

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セラミックスは耐酸化性および耐熱性に優れ、さらには低密度であることから、宇宙機用エンジン部材としての期待が高い。現在その中でも高靱性セラミックスの一つである窒化珪素を用いた次世代スラスタの開発が進められており、今後の惑星探査機への搭載が計画されている。しかしながら、セラミックス材料は脆性であるため、宇宙用部材としての信頼性確保のためには、熱的および機械的環境に対する強度評価だけでなく、宇宙空間に浮遊するメテオロイドとの衝突に対する衝撃強度評価も必要である。本年度は、窒化珪素セラミックスの耐メテオロイド衝撃性を実験的に評価した。実験は二段式軽ガス銃を用いて行い、直径0.5mmあるいは0.3mmの微小鋼球を最高4.5km/sまで加速させ、メテオロイド衝突と等価なエネルギを持つ飛翔体を厚さ1〜3mmの平板ターゲットに衝突させた。超高速衝突実験によって窒化珪素に与えられた損傷形態は、衝突エネルギと板厚によって、以下の3つに分類することができた。1つ目は、低エネルギ衝突で見られた衝突面の衝突面のクレータ形成のみで、それよりも高い衝突エネルギでは、クレータだけでなく、さらに背面で部材の欠け落ち(スポール)が生じていた。3つ目の破損形態は、表面クレータおよび背面スポールとそれらが連結することでできた貫通穴が形成されるもので、薄い板材あるいはさらに高エネルギ衝突で生じていた。このように、実験のエネルギ範囲内では、局所的に損傷が形成されるものの、いずれの部材も破断することは無かった。スラスタの宇宙空間に曝露されるノズルスカートと呼ばれる部分は、運用時には応力がほとんどかからないため、想定されるメテオロイド衝突が生じたとしても、本実験で得られたような局所的な欠損が形成されるのみで、メテオロイド衝突後も運用に支障をきたすこと無くミッションを継続することが可能であると考えられる。