二段式軽ガス銃の導入と作動パラメータ解析
（平成租年U月26日 原稿受付）
機械知能工学科赤星保浩
サテライトベンチ←・ビジネス・ラボ升り一田中真
設計生産エ学専攻堤 俊昭 設計生産工学科奥村克博
Introduction of Two−Stage Light Gas Gun and Analysis of its Dynamic Characteristics
by Yasuhiro Akahoshi Makoto Tanaka Toshiaki Tsutsumi Katsuhiro Okumura
Abstract
Tw◎−Stage L輌ght Gas Gun， wh輌ch輌s able t（）launch a pr◎ject輌le at the hypervdodty of more than
lkm／s， was installed in Satellite Venture Business Laboratory in February，1997． Its operation mechanism is so complex that it is diffic曲to optimize its operational parameters only by expedme斑s． Then we try t◎determ輌ne optimized opロat輌◎nal param￡ters n（）t only by exper輌m｝位ts but also by numerical simulations． In this paper， we simulate its dynamic characteristics using Random Choice Method． We investigated its operational parameters， whlch are mass◎f smokeless powder， pressure◎f He gas， mass of pist◎n， mass of prolectile and rupt蹴e pressure of diaphragms．
We confi㎜ed that projectile muzzle velocity is more dependent on mass of smokeless powder and projectile than on the others．
著者らはSVBLの超高速衝突実験室に新たに「二段式
1・緒言 軽ガス鋤を導ルこのような搬環境を模擬し超
1995年11月にSVBL（Satellite Venture Business 高速衝突に対する耐衝撃構造の開発を目指している。し Laboratory）が本学に設置された。 SVBLでの主研究 かしながら，この二段式軽ガス銃は本学に初めて設置さ テーマは 極限環境対応型機械の基盤技術に関する研究 れた設備であり，これまでの使用経験は全くない。この 開発 であり，著者らは「超高速（1km／s以上）」「超 ため，運用に関わるノウハウの蓄積はこれから行わなけ 高圧（1GPa以上）」を極限環境の一つとして取り上げ ればならない。ちなみに国内に設置されている二段式軽 たω。このような極限環境は地球軌道上において人工衛 ガス銃はわずか十数台に過ぎず，九州では本学が初めて 星と宇宙ゴミ（Space Debris，またはOrbital Debris である。
と呼ばれている）との衝突により起こることが知られて このように本学における二段式軽ガス銃の運用実績が いるが，1998年11月より打ち上げが開始された「国際宇 これまで全くなかったため，耐衝撃構造の開発と並行し 宙ステーション」では搭乗員の安全を確保する上で重要 て，二段式軽ガス銃の運用技術の確立を目指す必要があ な検討項目となっている。しかしながら国際宇宙ステー る。そこで著者らは数値解析による二段式軽ガス銃の動 ションでは，Space Shuttleなどの打ち上げ機の質量制 特性解析を試み，超高速の飛翔体を得るための作動パラ 限や空間制限により，直径1cm以下の宇宙ゴミに対する メータの条件について研究を行ったのでこれを報告する。
防護しか施されていない・現状での宇宙ゴミ観測技術で@ 2．二段式軽ガス銃
は，直径10cm以上の宇宙ゴミに対しては軌道要素を同
定しているので衝突は回避できるものの，直径1〜1◎cm 2．1作動原理
の宇宙ゴミに対しては防御方法は全く確立されていな 図1に二段式軽ガス銃の外観を示す。その作動原理と い（2）・（3）。 しては，まず火薬室内部で無煙火薬を燃焼させ，発生す
図1 二段式軽ガス銃外観
Operadonal Pa㎜e1βrs Range
Mass of Powder［9］ 20〜100
Mass of Piston［9］ 50〜200
Pressure of
gelium Gas［MPa］ 0．5〜2
Mass of Pr（りectile［9］ 1．5〜5
Pressure of
qupture Disk［MPa］ 40〜100
る燃焼ガスでポンプチューブ内のピストンを前方に押し
出す．ピストン前方には一リウムガスカ、嫌されており， 3醐特性解析
押し出されたピストンによりこのヘリウムガスが高速で 3．1解析手法
圧縮され，ある圧力以上になるとダイアフラムを破断し， 本研究で用いた二段式軽ガス銃のモデルを図2に示す。
飛翔体（サボとプロジェクタイル）を押し出すメカニズ このモデルは実際の実験装置と同じ寸法に設定し，飛翔 ムになっている。飛翔体はロンチチューブ内で加速し， 体の寸法にはサボの寸法を用いた。
サボ分離機構でサボとプロジェクタイルが分離され，ター また本研究で用いた動特性の計算は火薬の燃焼過程，
ゲットにプロジェクタイルのみが衝突する仕組みになっ ポンプチューブ内のヘリウムガスの一次元非定常流れ問 ている。 題，ピストンと飛翔体の運動方程式の三部分に大別して 2．2作動パラメータ 行うようになっており，それぞれの支配方程式は次項の 二段式軽ガス銃には二種類のパラメータがある。一つ ように定義される（4）。
は設計時に決定されるロンチチューブやポンプチューブ 3．2支配方程式
の長さや内径，ピストンや飛翔体の直径などの設計パラ 3．2．1 火薬の燃焼過程のモデル
メータ，もう一つは実験時に変化させることができる作 実際の火薬の燃焼過程は複雑であるが，火薬粒子は均 動パラメータである。主な作動パラメータとしてまとめ 一形状で，燃焼は火薬室内で一様に行われるなどの仮定 たものを表1に示す。 を導入すると，無煙火薬の燃焼速度Vは以下の式で表す 本来なら，設計パラメータと作動パラメータを相互に ことができる。
関連づけてより速い飛翔体を打ち出せるように二段式軽
ガス銃を作らなければならない．しかし，蜘こは設置 v＝●P （1）
場所や費用などの問題により設計パラメータが先行して ここでPは火薬室内部の平均圧力，a，bは無煙火薬の 固定されてしまうことが多く，後で装置の持つ性能を最 粒子の大きさや形状などで決まる定数である（5）。
大限に引き出すこと，ここでは最高速度の飛翔体を作り 3．2．2一次元非定常流れのモデル
出すための作動パラメータを求めることが重要となって 二段式軽ガス銃内部のヘリウムガスの挙動を一次元非 くる。この最適条件をすべて実験のみで求めることは不 定常流れと仮定すると，
経済であり，数値解析の援用により，効率良く求める必 ＿
ひ＋呪＝−A＋H （2）
要がある。
表1実験で使用できる作動パラメ＿タの範囲 と表される・ここでUは保存ベクトル・Fは物理流束ベ クトル，Aは断面積変化に伴う損失を示すベクトル， H は摩擦，圧力損失，熱伝達に伴う損失を示すベクトルで あり，具体的にはそれぞれ
σ＝［一剛③
F＝［餌〆＋μ〔 μ2ρθ＋2＋ρ〕1ω
互＝去芸［ρ輌〔μ＋ρ：＋ク〕1⑤
田 令
Smokdess＆
Sab。t lium Gas Pi、t。n p・wde・
令N
川 ・
1 1000 i140 1500 150
図2 二段式軽ガス銃の解析モデル
H＝【α巧＋刷7 （6） 一 Ω・栢・一㎡・S・lud皿
と表される。ρ，u， p， eはそれぞれ密度，速度，圧
また，添字Tは転置を表す。なお②式を解くにあたり本 研究ではランダムチョイス法を用いた。詳しくは次章で
述べる。 ．
3．2．3ピストン及び飛翔体の運動モ肉レ tr△t
円筒形状のピストン及び飛翔体は・ポンプチューブま x＝i△x x＝（i＋1）△X x たはロンチチューブの内壁面と隙間なく接触しながら運
動するものとする。これらの物体に働く力はピストンま 図3ランダムチョィス法の計算格子 たは飛翔体前後の圧力差と壁面との摩擦力のみであると
仮定すると，ピストンについての運動方程式は 連続の位置での初期状態量は次式に示すように乱数Ωを 発生させることで決定する。
時刻t」を越えて時間が進むと，この不連続は接触面に
4㌔＝4ゲ弘＋馬 ⑧ よって分離された波となって左右へ錨する・これらの
4τ ρ両L妬 ρ搾L拷A妨 波は，初期状態の取り方によって衝撃波または膨張波の いずれかになる。なお，一計算ステップでの波面速度は で表される。ここでuは速度，亮は前方の気体の圧力， 乱数の値に依存するため正しくないが，時間ステップ数 Pbは背後の気体の圧力， Fは全摩擦力，ρは密度， Lは が増大するに従って波面速度の平均値は統計的に正しく 長さ，Aは断面積， tは時間，添字ptnと両はそれぞ なる（6）。
れピストンと飛翔体での値であることを示す。
5．解析結果と考察 4．ランダムチョイス法
5．1 作動パラメータの最適化
本研究では3．2．2項で述べた一次元非定常流れのヘリ 表2に示す五つの作動パラメータを組合せてシミュレー ウムガスの挙動をランダムチョイス法により状態量の不 ションを行い，得られた結果を図4（a）〜4㈲にまとめた。
連続性を考慮しながら解析した。ランダムチョイス法の これらは横軸に作動パラメータ，縦軸に飛翔体速度を取 計算格子を図3に示す。図中のU3は距離x＝Mx， り，シミュレーションで得られた最高速度の結果をプロッ 時刻t＝μtにおける状態量を示す。格子間における不 トしたものである。
表2 シミュレーションに用いたパラメータ
ロ §1
ヨ 訟 5 エの 8 4 躍 3 ￡ 2 コ 1日 1 ゆ 舌 0 占
10 20 30 40 50 60 70 80 90 （a） Mass of Powder［g］
こ嶽鷲竃㌶鑑竺醸㌶竃蕊 凱
訟 5 になることがわかる・また・火薬量だ↓ナを変化させて他 亘4 のパラメータを固定した場合も同様の傾向が見られた。 9 3 これらのことより，火薬量が飛翔体速度と密接な関係が 書 2
りあ畠；（1）：蕊質量と飛＿の関係編表 竃；。1。。2。。3。。4。。5。。6。。
1では実験可能な最大質量を2009としたが・シミュレー （b）Mass of Piston［9］
ションでは確認のため500gまで解析した。200gまでは
ピストン質量と共に飛翔体速度が増加しているが，これ 官 7
以降ではほぼ飽和していることカ・分かる． 事
図4（c）はヘリウムガス初期充填圧力と飛翔体速度の関 倉 4
係を示す．ヘリウムガス初蹴填圧力を高くするとある §3 程度飛翔体速度を高速にできるが・・MPa以上ではほと 記
んど変化がない・ 昌・
図4（d）はダイアフラムの破断圧力と飛翔体速度の関係 占 0 05 1 15 2 25 を示すが，破断圧力が20MPaの場合を除きほぼ一定値 ．
となっており，飛翔体速度にはほとんど影響力、ないと言 （c）合ess眠゜fHellumGas［MPa】
え；：㎏）は飛翔体の質量と速度の関係を示し飛翔体質 動
量が増大すると飛翔体速度は低速になる傾向にあること 言5 がわかる。 e 4 ＞ 3
ヘリウムガスの流れ解析に人工雛法を用いた山田（7）
らの結果では §1@ 曇2
・火薬量を増すと飛翔体速度が増す 占 0
・飛翔体質量を増すと飛翔体速度が減少する 0 20 40 60 80 100120
．ダイアフラム破断圧力は飛翔体速度に影響しない （d）合es賦・fRu輌・Di・k【MP・］
・ピストン質量は飛翔体速度に影響しない 官 7
．＿リウムガス圧力には髄値が存在する ≧6
となっている． §1
上記三つは本研究と同様の結果である。このうち上二 e 3
つは二段式軽ガス銃の動作囎を考えると当然のことで ；2
相違，装置規模の相違などが原因であると考えられる。 （e）Mass of Prqi㏄dle［g】
今後実験的にどちらが正しいか検証していく予定である。 図4 シミュレーション結果
（脚on凪P㎜e疏 Pa㎜eter Value Mass of Powder［9】 20，40，60，80
Mass of Piston［9］ 50，100，150，200，250，
R00，350，400，450，500 Pressure of
gelium Gas［MPa］ 0．5，1．0，L5，2．0 Mass of PrqiecUle［9］ 1，2，3，4，5
Pressure of
qupture Disk［MPa］ 20，40，60，80，100
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表3 火薬量を基準にした最適な作動パラメータ 表4 ピストン重量を基準にした最適な作動パラメータ
Mass of Powder回 20 ⑳ 60 80
M卵s・fPist・n［9】 250 350 250 350
ロ力
Pressure of
gelium Gas［MPa］ 15 1．0
舌ess磁℃of
qupture Disk［MPa】 100 Mass of P吋ecdle［9工 1．0
拓℃輌ectae Ve三〇ci砂［㎞ノrs］ 3．3 4．1 5．1 5．9
表3に火薬毎に最高の飛翔体速度が得られる作動パラ メータの組合せを示す。この表より火薬量20gの場合，
最高速度が得られる組合せはピストン質量250g，ヘリウ また図5（b）より，ダイアフラム破断後にピストン加速 ム初期充填圧力1．5MPa，ダイアフラムの破断圧力1◎◎ 度が減少するのはどのピストンでも同じだが，50 gのピ MPa，飛翔体質量1 gであり，その結果飛翔体速度3．30 ストンの場合は減少する時刻が最も早い。このことから km／sが得られることが分かる。興味深い点として，火 ヘリウムガスの圧縮が十分に行えていないことが推察で 薬量が20gと60gの場合は同じ組合せが効率が良いがそ きる。
の間の4◎gの場合は前者と比較してピストン質量はより そして図5（c）は，ピストンは5◎gの時だけ火薬室側に 重い組合せの方がより効率が良いということがあげられ 押し戻されていることを表わし，この結果は図5（d）と同 る。 様に50gのピストンを使用した場合，他のピストンと比 以上より，五つある作動パラメータのうち飛翔体速度 べてヘリウムガスの圧縮が効率よく行えていないことが に大きな影響を与えるのは火薬量と飛翔体質量である。 考えられる。
ヘリウムガス初期充填圧力とダイアフラムの破断圧力は 図5㈲は圧縮の様子を示したもので，図5（b），（c）を裏 それほど影響しないと言える。また，ピストン質量も実 づけるように50gのピストン前面の圧力が他のピストン 験可能範囲内（50g〜200g）では飛翔体速度に影響を の約半分であることが分かる。
与える。 その結果として，図5（e）より50gのピストンでは最大 5．2 ピストン質量に対する考察 飛翔体加速度は高いものの，その加速度が長い時間保た 前節をうけ，ピストン質量を最小の50g，実験可能な れるわけではないので最終的な飛翔体速度の増加にっな 上限の2009，実験不可能な範囲内の3509の三通りのシ がらない。逆に他の2009，3509のピストンの場合，最
ミュレーションを行い，なぜピストンが軽いと飛翔体速 大飛翔体加速度は509のピストンに劣るものの長い時間 度が遅く，また20◎9以上になるとあまり影響がないのか その加速度を持続できるため高速の飛翔体を得ることが を考察してみる。そのため，各々の最高速度が得られる できると言える。
作動パラメータの組合せを表4に示す。シミュレーショ 以上より，ピストン質量が小さい時にはヘリウムガス ンの結果得られた時間履歴が図5（a）〜（e）である。これら を十分に圧縮することができず，その結果，飛翔体速度 は横軸が点火からの時間，縦軸がそれぞれ（a）ピストンの も小さくなってしまうものと考えられる。本実験装置で 速度，（b）ピストンの加速度，（c）ピストン前面のポンプチュー は，5km／s以上の飛翔体速度を得るためには，ピスト ブ端からの距離，（d）ピストン前面の圧力，｛e）飛翔体の加 ン質量を実現可能な上限と考えられる2009に設定する必 速度である。 要がある。この2009という質量を得るためには，ピスト まず図5（a）について考察すると，ピストンが509では ンの材料である超高分子ポリエチレンでは密度が足りな 他の二つに見られるダイアフラム破断後の速度の急激な いため，現在，鉛または銅などの金属類を付加する方法 上昇がなく，ヘリウムガスがロンチチューブに流入して と，密度の高いフッ素系の樹脂を採用する方法の，2っ
もさらに後押しできていないことが推察できる。 を検討している。
Mass of Powder回 80
Mass of Piston［9］ 50 200 350
P陪ssu鵬of
gelium Gas［MPa］ 2．0 LO
P佗s§me◎f
qupture Disk［MPa］ 100
Mass of Pr（りecdle［9】 LO
丁三me at R．upture Disk｛ms］ 1．48 L77 2．05
P両㏄tile Vel㏄i蟻1［kmls］ 4．7 5．9
1．5 ♂一 100 の
官 遍
8
0 0．5 1 1．5 2 2．5 1．4 1．6 1．8 2 2．2 2．4
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図5 二段式軽ガス銃の時間履歴
5．3 実験との比較
表5に実験（Shot No．981114−01）とシミュレーショ ンとの比較を示す。実験結果に比べて，シミュレーショ ンの方が高速という結果を得た。この速度差は，火薬燃 焼モデル，ヘリウムガスの流れ解析，高圧カップリング 部の気密性，飛翔体とロンチチューブ内壁との摩擦のモ デルなどが原因として考えられる。今後，作動パラメー 0 0．5 1 1．5 2 2．5 タの異なる実験を数回行い，誤差原因の特定を行う予定 （b） Time［ms］ である。
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表5 シミュレーションと実験結果の比較 Qperadonal
oa㎜eters Simulation
Experiment i981114−Ol）
Mass of Powder
@ 【9］ 40．0 40．0
Mass of Piston
@ ［9］ 93．74 93．74
P佗ssure of gelium Gas
@ ［MPa］
1．00 1．0
Mass of P珂ecdle
@ ［9］ 1．79 1．79
Pr（∂ecdle Velocity
@ ［㎞1s］ 2．72 2．53
6．結言
今回のシミュレーションより，飛翔体速度に対する作 動パラメータの特性について以下の結論を得た。
（1）火薬量に強く依存する
（2）ピストン質量が200gまでは速度が増加するが，200g 以上では飽和する
￡ 0 α5 1 15 2 25 （3）ヘリウム初期充填圧力・ダイアフラム破断圧力はあ
（d）Time［ms］ る程度高ければよい
（4）飛翔体質量が小さいほど高速になる
今後は，実験に必要な飛翔体速度から逆算した最適作 動パラメータの決定を行う予定である。また，解析手法 の改良として，ヘリウムガスの流れ場を現在一次元とし て近似しているが，乱流状態をより良くモデル化するた めに，二次元への拡張を試みる予定である。さらには，
高圧カップリング部におけるピストンの変形状態を有限 要素法などにより解析するよう改良を加える予定である。
なお，本研究の一部は，文部省平成十年度「民間等と の共同研究（区分A）」において，三和技研工業所との共 同研究「二段式軽ガス銃の設計／製造に関する技術の体系 化」の一環として行われたことを記す。
謝 辞
本研究を遂行するにあたりランダムチョイス法に関し て，東北大学の高山和喜教授より詳細な資料を御提供し て頂いたこと，また本研究は本学サテライト・ベンチャー・
ビジネス・ラボラトリーにおいて実施したものであるこ とを記し，感謝の意を表します。
参考文献
｛1）Y．Akahoshi and K． Yonehara， t《lntroduction of Two・
Stage Lig祉Gas Gun in SVBL and its Pe㎡ormance Test ， Proc㏄dings of 7 th International Space Conference of Pacific−Basin Societies， AAS 97−488，（1997）， pp．995−10◎6．
（2）EL． Chr輌stiansen， tミAdvance Meteoroid and Debds Shielding Concepts ， Proceedings of AIAA／NASA／
DOD Orb仕al Deb亘s C◎nfer題ce， AIAA 90−1336，（1990）．
（3）白木，伊藤，佐藤，白井，宇宙デブリ高速衝突試験結果の報告，
日本航空宇宙学会誌，第44巻，第512号，（1996），ρp．52◎−529．
（4）松村・他2名，二段式軽ガス銃の特性に関する研究，日本機械 学会論文集（B編）56巻526号（199◎），pp．1712−1715．
（5）工業火薬協会編，工業火薬ハンドブック，共立出版，（1981）．
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（7）山田・他2名，二段式軽ガス銃の試作とその性能解析，日本機 械学会論文集（B編）47巻415号（1981），pp．45◎−46◎．
