事 例 紹 介:ミ
ニ特 集
ス ペ ー スデ ブ リ国 際 宇宙 ステ ー シ ョン に お け るデブ リ対策
白
木
邦
明 ＊
＊ 宇 宙 開 発 事 業 団 筑 波 宇 宙 セ ン タ ー 茨 城 県 つ く ば 市 千 現2-1-1*National Space Development Agency of Japan, Tsukuba Space Center, Sengen 2-1-1, Tsukuba, Ibaraki, Japan
*E-mail: shiraki. kuniaki@nasda. go. jp
キ ー ワ ー ド:ス ペ ー ス デ ブ リ 防 御(space debris protection),国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン(international space station).
JL 0008/08/4108-0594 (C) 2002 SICE
1.
は じ め に
現 在,高 度 約400km,傾
斜 角51.6度
の軌 道 に15ヵ 国 が
参 加 した 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の建 設 が 進 め られ て い る.
組 立 中 の 形 状 を図1に
示 す.計 画 は1985年
か ら始 ま っ て い
る が,紆 余 曲 折 の後,よ
うや く1998年11月
に最 初 の 要 素
が 打 ち上 げ られ,2000年12月
か ら3人 の 宇 宙 飛 行 士 が 約
4ヵ 月交 代 で 宇 宙 滞 在 を始 め た.今 後 の軌 道 上 組 立 て は,米
国 の スペ ー ス シ ャ トル の 約30回
の 飛 行 に よ り,2007年
頃
に6∼7名
の 宇 宙 飛 行 士 が 常 時 滞 在 で き る 能 力 を備 え て 図
2に 示 す 形 態 が 完 成 す る予 定 で あ る.わ が 国 も こ の計 画 に
参 加 して お り,図3に
示 す 日本 の 実 験 モ ジ ュー ル(JEM:
1.
は じ め に
現 在,高 度 約400km,傾
斜 角51.6度
の軌 道 に15ヵ 国 が
参 加 した 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の建 設 が 進 め られ て い る.
組 立 中 の 形 状 を図1に
示 す.計 画 は1985年
か ら始 ま っ て い
る が,紆 余 曲 折 の後,よ
うや く1998年11月
に最 初 の 要 素
が 打 ち上 げ られ,2000年12月
か ら3人 の 宇 宙 飛 行 士 が 約
4ヵ 月交 代 で 宇 宙 滞 在 を始 め た.今 後 の軌 道 上 組 立 て は,米
国 の スペ ー ス シ ャ トル の 約30回
の 飛 行 に よ り,2007年
頃
に6∼7名
の 宇 宙 飛 行 士 が 常 時 滞 在 で き る 能 力 を備 え て 図
2に 示 す 形 態 が 完 成 す る予 定 で あ る.わ が 国 も こ の計 画 に
参 加 して お り,図3に
示 す 日本 の 実 験 モ ジ ュー ル(JEM:
図1 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の 形 状(2002.4月 現 在)図2
国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ンの 完 成 状 態
Japanese Experiment
Module,愛
称 「き ぼ う」)を開 発 し,
宇 宙 ス テ ー シ ョ ン本 体 に取 り付 け る.JEMは
有 人 の船 内 実
験 室 を 中 心 と して,宇 宙 空 間 の 実験 施 設 で あ る船 外 実験 プ
ラ ッ トフ ォー ム,ロ
ボ ッ トアー ム 等 か ら構 成 され て い る.
JEM開
発 の 経 緯 と概 要 に つ い て は参 考 文 献1)を 参 照 され
た い.船 内 実 験 室 は内 圧 が 一 気 圧 で 宇 宙 飛 行 士 に安 全 で 快
適 な居 住 お よ び作 業 環 境 を提 供 す る.人 工 の 打 上 げ物 体 で
あ る宇 宙 デ ブ リの 増 加 は,計 画 当初 か らス テ ー シ ョ ン との
衝 突 事 故 が 懸 念 され た.こ
の た め,宇 宙 デ ブ リ防 御 に関 し
て 広 範 で種 々 の対 策 が 検 討 され て きた.こ
こで は,宇 宙 デ
ブ リ対 策 の う ち,特 に 有 人 の与 圧 モ ジ ュー ル(居 住 モ ジ ュ ー
ル,船
内 実 験 室,船
内 保 管 室 等)に
対 す るデ ブ リ防御 技 術
に つ い て 解 説 す る.
2.
宇 宙 デ ブ
リ 環 境 と 防 護 要 求
与 圧 モ ジ ュ ー ル を阻 石 や デ ブ リか ら防 御 す る こ と は,搭
乗 員 の 安 全 確 保 の観 点 で 重 要 な 課 題 で あ る.大
き さが 数
mmか
ら数m,速
度 は最 大15km/sに
及 ぶ 広 範 な宇 宙 デ ブ
リに対 して,バ
ンパ ー に よ る モ ジ ュー ル の 防 護 だ け で 対 応
す る こ と は不 可 能 に近 い.宇 宙 ス テ ー シ ョ ン計 画 で は,対
象 とす るデ ブ リ を アル ミニ ウ ム(以 下 ア ル ミ と略 す)の 球
形 と考 え,そ
の大 き さ に 応 じ て つ ぎの 基 本 対 応 方針 を設 定
し た2)(人 工 の デ ブ リに 比 べ 阻 石 の 衝 突 確 率 は ず っ と小 さ
い).
a. 直 径1cm以
下 の 宇 宙 デ ブ リは モ ジ ュー ル に防 護 バ ン
パ ー を 取 り付 け,デ
ブ リの 与 圧 壁 貫 通 を 防 ぐ.こ の 場 合,
与 圧 モ ジ ュ ー ル に 対 す る 設 計 要 求 と し て 非 貫 通 確 率
(PNP:
Probability of No Penetration)を
与 え る.
図3
JEM全
体 形 状
b. 直 径10cm以 上 の 宇 宙 デ ブ リ は 飛 行 軌 道 が 把 握 で き る の で,軌 道 予 測 に よ り衝 突 の 危 険 が あ れ ば,宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の 軌 道 を 約4km高 め て 衝 突 回 避 を 図 る. c. 直 径1cm以 上10cm以 下 の デ ブ リ は バ ン パ ー に よ る 防 護 と,観 測 に よ る 軌 道 把 握 の い ず れ も 困 難 で あ る.こ れ ら の 衝 突 確 率 は 小 さ い が,モ ジ ュ ー ル 壁 を 貫 通 す る リ ス ク は 残 る.そ こ で,も し 貫 通 し て も搭 乗 員 や 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン に 対 し カ タ ス ト ロ フ ィ ッ ク な ハ ザ ー ド(catastrophic hazard)を 生 じ な い よ う設 計 す る と 共 に,ス テ ー シ ョ ン 運 用 で ハ ザ ー ド を 回 避 す る. こ こ で は,特 にa項 に 対 し てJEM開 発 で 実 施 し て き た デ ブ リ 防 御 対 策 を 解 説 す る. 米 国 航 空 宇 宙 局(NASA)は,宇 宙 デ ブ リの 観 測 精 度 を 種 々 の 手 段 に よ り 向 上 さ せ て き た.1991年 以 降,分 布 の 推 定 精 度 は 向 上 し,1996年 推 定 で は 直 径1cm以 上 の デ ブ リ が 減 少 し,速 度 で5km/sと10km/s近 傍 の 分 布 が 増 加 し て い る.与 圧 モ ジ ュ ー ル の 開 発 で は,ま ず 直 径 約1cm以 下 の デ ブ リ を 防 護 す る バ ン パ ー 設 計 を 行 い,与 え ら れ た PNP要 求 を 満 足 す る こ と を 検 証 す る.宇 宙 ス テ ー シ ョ ン 全 体 のPNPは,阻 石 ・デ ブ リ分 布 モ デ ル か ら 求 め た,あ る 期 間 の デ ブ リ 衝 突 確 率Pimpactと,衝 突 し て 貫 通 す る 確 率 Ppen/impactか ら 次 式 で 求 ま る 確 率 で 定 義 さ れ る3). PNP=1-Pimpact×Ppen/impact (1) PNPはPoisson分 布 に 従 う と 仮 定 す る と つ ぎ の よ う に 表 わ せ る. PNP=e-fat (2) こ こ に,f=隕 石 ・デ ブ リが 貫 通 限 界(ballistic limit)を 超 え る 数 で,バ ン パ ー/与 圧 壁 の 損 傷 基 準,飛 翔 体 の 直 径, 速 度,衝 突 角 度,密 度 の 関 数 で,単 位 面 積,単 位 時 間 当 た り の 値.a=宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の 有 効 面 積(m2),t=時 間 (年)で あ る. ロ シ ア モ ジ ュ ー ル を 除 く 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン 全 体 のPNP 設 計 要 求 値 は,密 度2.8g/cm3,直 径20cmま で の デ ブ リ に 対 し て10年 当 た り のPNP=0.9以 上 を 設 定 し て い る.ロ シ ア モ ジ ュ ー ル に も 同 じ く0.9が 設 定 さ れ 国 際 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン 全 体 で は0.81と な る.上 記PNP要 求 値 の う ち, JEMに は 面 積 比 に よ っ て10年 間 で0.9738が 配 分 さ れ,こ れ はJEM船 内 実 験 室 に0.9814, JEM船 内 保 管 室 に 0.9922が 再 配 分 さ れ て い る. c項 の デ ブ リ に 対 し て は,こ の 範 囲 の デ ブ リ が 衝 突,貫 通 し た 場 合 で も カ タ ス ト ロ フ ィ ッ ク な ハ ザ ー ドに 結 び つ か な い こ と を 解 析 的 に 評 価 す る. 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン のPNP要 求 は,ス ペ ー ス シ ャ トル の 隕 石 ・デ ブ リ 防 護 要 求 や 米 国 内 の 地 上 の 死 亡 事 故 調 査 に 基 づ き,当 初PNP 0.95/10年 が 設 定 さ れ た.し か し な が ら こ の 値 を 各 要 素 に 配 分 し て 設 計 を 実 現 す る こ と は,技 術 的 に 打 ち 上 げ 不 可 能 な ほ ど の 重 量 増 加 が 見 込 ま れ た.そ こ で 阻 石 ・デ ブ リが モ ジ ュ ー ル 壁 を 貫 通 し て も,ス テ ー シ ョ ン や 搭 乗 員 を 喪 失 す る よ う な カ タ ス ト ロ フ ィ ッ ク な 損 傷 を 生 じ な い 確 率(PNCF: Probability of No Catastrophic Fail-ure)を 定 義 し て,目 標PNCF=0.95を 達 成 す る こ と と し た.こ の た め,カ タ ス ト ロ フ ィ ッ ク 損 傷 モ ー ド と し て,以 下 の ハ ザ ー ド を 設 定 し,Monte Carloシ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り貫 通 し た 後 の ス テ ー シ ョ ン や 搭 乗 員 の 喪 失 確 率 を 最 大 0.5と 推 定 し た. ・瞬 時 の ク リ テ ィ カ ル な き 裂 伝 播(不 安 定 構 造 破 壊) ・空 気 流 出 で 生 じ る 推 力 に よ る 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の 軌 道 ・姿 勢 制 御 不 能/構 造 破 壊 ・重 要 な 機 器 の 故 障 ・破 片 に よ る 搭 乗 員 の 負 傷 ・閃 光 お よ び 減 圧 に よ る 搭:乗員 の 負 傷 ・搭 乗 員 と 救 出 搭 乗 員 の 低 酸 素 症 ・ク リ テ ィ カ ル な シ ス テ ム の 修 理 遅 延 に よ る 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン の 喪 失 PNCFを 直 接 に 設 計 ・検 証 す る こ と は 困 難 で あ る.そ こ で 上 記 喪 失 確 率0.5を 用 い る と,PNCF 0.95/10年 はPNP 0.9/10年 と 等 価 に な り,設 計 要 求 値 と し てPNP 0.9/10年 を 定 め た(そ の 後,NASAの 要 素 が 増 加 し た た め,全 体 の PNP 0.81は0.76(最 小)に 見 直 さ れ た). 3. 防 護 バ ン パ ー 設 計 JEMの バ ン パ ー 構 造 の 開 発 に 当 た っ て は 主 と し て 超 高 速 衝 突 試 験 に よ り設 計 デ ー タ の 取 得 と性 能 評 価 を 行 っ て き た.こ の 結 果 を 踏 ま え,さ ら にNASAの 設 計 案 も 取 り入 れ て 種 々 の 構 成 を 検 討 し,バ ンパ ー 構 成 は 図4に 示 す 案1と 案2の 組 み 合 せ で 製 作 さ れ て い る.案1は 古 く か ら 知 ら れ て い るWhipple Shieldで 与 圧 モ ジ ュ ー ル の 周 囲 に1枚 の ア ル ミ合 金 板(Al 6061)を バ ン パ ー と し て 取 り付 け る も の. 案2はNASAが 提 案 し た ス タ ッ フ ィ ン グ 入 り シ ー ル ド (Stuffed Whipple Shield)4)で,防 護 能 力 強 化 の た め 前 面 ア ル ミ板 バ ン パ ー と与 圧 壁 の 間 に,2段 目 バ ン パ ー と し て ア ル ミ メ ッ シ ュ,3層 の セ ラ ミ ッ ク 繊 維(Nextel),お よ び 4層 の ア ラ ミ ド 系 繊 維(Kevlar)か ら 構 成 さ れ る ス タ ッ フ ィ ン グ と 呼 ぶ 多 層 積 層 材 を 設 置 す る.バ ンパ ー 層 の 内 側 は,
案1 Whipple Sllield 案2 Stuffed Whipple Shield 図4 JEMの バ ン パ ー 構 成
図5
JEMの
バ ンパ ー 配 置
与 圧 モ ジ ュ ー ル の熱 リー ク を 防 止 す る 多 層 断 熱 材(MLI:
Multi Layer Insulation)が
配 置 され る.JEM円
筒 部 の 防
護 バ ンパ ー は図5に
示 す よ う に,デ
ブ リ衝 突 確 率 が 高 い飛
行 方 向 は 案2が,衝
突 確 率 が 低 い 後 側 は案1を
配 置 し重 量
を軽 減 して い る.こ の よ う な基 本 構 成 を決 定 す る過 程 で は,
それ ぞ れ の バ ンパ ー 構 造 に つ い て デ ブ リの 直 径 と速 度 に 関
し,貫 通 限 界 の 経 験 式4)を 使 っ て,全 体 のPNPを
計 算 し要
求 を満 足 す る設 計 で あ る こ とを予 備 的 に確 認 す る.こ
こで
用 い た貫 通 限 界 経 験 式 は 宇 宙 ス テ ー シ ョ ン設 計 で 使 用 して
お り,Stuffed Whipple
Shieldの 場 合,超
高 速 衝 突 時 の材
料 の 相 変 化 に よ り,速 度 が 約2.7km/sで
谷 を,ま た 約6.5
km/sで
ピー ク を もっ た 折 れ線 で 表 わ され る(後 出 図10参
照).経 験 式 で あ る た め,バ ンパ ー 設 計 が 確 定 した と ころ で
限 界 性 能 を検 証 す る.
4.
バ ン パ ー 性 能 の 検 証
防 護 バ ンパ ー の 性 能 は つ ぎ の2つ
の超 高 速 衝 突 試 験 設 備
と計 算 機 シ ミ ュ レー シ ョン に よ り検 証 し て き た.
(1)
2段 式 軽 ガ ス 銃5):2段
式 軽 ガ ス 銃 の 構 造 を図6に
示 す.そ の 作 動 原 理 は まず 燃 焼 室 の 中 で 火 薬 を燃 焼 させ,
燃 焼 ガ ス に よ りピ ス トン を前 方 に押 し出 す.ピ
ス トン前 方
に は 水 素 ガ ス が 封 入 され て お り,押
し出 さ れ た ピ ス トン に
よ り こ の水 素 ガ ス が 高 速 で 圧 縮 さ れ て 一 定 圧 以 上 に な る
と,ダ イ ヤ フ ラ ム が 破 断 しそ の 前 方 に設 置 され た 飛 翔 体(サ
ボ+ア ル ミ製 の 模 擬 デ ブ リ)を 打 ち 出 す.飛
翔 体 は発 射 管
内 で 加 速 さ れ.フ
ラ イ トチ ュー ブ 内 の サ ボ トラ ップ で サ ボ
図7
模 擬 デ ブ りがバ ンパ ー に衝 突 して 発 生 した デ ブ リク
ラ ウ ドの 高 速 度 写 真(撮 影 順 は1段 左 ・
同 右 ・2段左 ・
同右 の 順,シ
ャ ッ タ ー 間 隔:5μS)
か ら模 擬 デ ブ リが 分 離 さ れ,供 試 体 に デ ブ リの み が 打 ち 出
され る.射 出 速 度 の 計 測 は飛 翔 体 先 端 に ラバ ー磁 石 を接 着
し,2つ
の 離 れ た場 所 に設 置 した 誘 導 コ イ ル を 通 過 す る時
の 誘 導起 電 力 発 生 の 時 間 差 で 計 測 す る 方 法 と,誘 導 コ イ ル
の 代 わ りに2本 の レ ー ザ ー 光 を設 置 し,レ ー ザ ー 光 を横 切
る時 間差 で 計 測 す る方 法 を採 用 し て い る-筆 者 らが 開 発 し
た 軽 ガ ス 銃 で 達 成 で きた 最 大 打 ち 出 し速 度 は6.8km/sで
あ っ た5).図7は
模 擬 デ ブ リが バ ンパ ー に 衝 突 して 発 生 し
た デ ブ リク ラ ウ ド(雲)の 高 速 度 写 真 を 示 す.
(2)成
形 爆 薬:デ
ブ リ速 度 が10km/s以
上 で は 軽 ガ ス
銃 に 代 わ り 成 形 爆 薬 を 使 用 し た.成
形 爆 薬(shaped
charge)の
原 理 は,爆 薬 が 解 放 し た化 学 エ ネ ル ギ ー を 円錐
状 の ラ イ ナ ー の 運 動 エ ネ ル ギ ー に変 換 し,円 錐 中 空 部 分 に
集 中 させ,中
心 軸 上 で ぶ つ か り合 う(collapse)こ
とに よ っ
て軸 方 向 の大 き な運 動 エ ネ ル ギ ー に変 換 す る.成 形 爆 薬 の
原 理 の 詳 細 は 参 考 文 献6)に 詳 しい記 述 が あ る の で 参 照 され
た い.本 研 究 で は,戸 田 らが 研 究 開 発 した7)先 端 ジ ェ ッ トに
直 接 寄 与 しな い ス ラ ッ グ(slug)を
取 り除 くイ ン ヒ ビ ター
図6 2段 式軽 ガ ス銃 の構造
図8 円錐形 ・成形爆 薬試験装 置
図9 成 形 爆 薬 で 生 成 さ れ た ジ ェ ッ ト (inhibitor)付 き の 成 形 爆 薬 を 使 用 し た.用 い た 火 薬 は Octolを,ま た ラ イ ナ ー 材 料 は,通 常,銅,モ リ ブ デ ン,ニ ッ ケ ル 等 が 用 い ら れ る が,よ り高 速 な ジ ェ ッ ト を 得 る た め に ア ル ミ を 用 い た.図8に 試 験 に 使 用 し た イ ン ヒ ビ タ ー 付 き 円 錐 形 ・成 形 爆 薬(CSC: Conical Shaped Charge)試 験 装 置 を 示 す.デ ブ リ の 速 度 と形 状 ・質 量 は2ヵ 所 で 撮 影 し た フ ラ ッ シ ュX線 の 画 像 解 析 か ら 求 め る.成 形 爆 薬 の 形 状 と 寸 法 は,質 量1.3gの 飛 翔 体 を 速 度 約11km/sで 飛 ば す こ と を 目 標 に,円 錐 角 は30°,ラ イ ナ ー 板 厚 は2.1mmと し た.さ ら に1g以 下 の デ ブ リ衝 突 を 模 擬 す る た め に 米 国 の SwRI社 の 成 形 爆 薬 試 験 装 置 も 使 用 し た8).成 形 爆 薬 の 加 速 で 飛 行 す る ジ ェ ッ トは ガ ス 銃 で 用 い る ア ル ミ製 模 擬 デ ブ リ の よ う な 中 実 球 で は な く,図9に 示 す よ う な 中 空 円 筒 に 近 い 矢 じ り状 で,材 料 の 状 態 は 固 体 で あ る が,飛 行 距 離 に よ っ て 形 状 と密 度 が 変 化 す る.し た が っ て,バ ン パ ー に 衝 突 し た 際 に 与 え る 損 傷 の 度 合 も 固 体 球 と異 な り,成 形 爆 薬 に よ る 試 験 結 果 の 解 釈 に 当 た っ て は ジ ェ ッ トの 形 状 や 密 度 の 変 化 を 考 慮 す る こ と が 重 要 で あ る9). (3) 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン:バ ン パ ー 性 能 検 証 に 使 用 で き る 試 験 設 備 は 上 記 に 限 ら れ て い た の で,試 験 で 検 証 で き な い 部 分 を 補 う た め に,材 料 の 相 変 化 を 伴 う超 高 速 衝 突 現 象 を 解 析 す る 計 算 コ ー ド(ハ イ ドロ ・コ ー ド)を 使 用 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 実 施 し た10).シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 以 下 の 基 本 方 程 式 を 用 い る. ＊1 成形爆薬試験のデータは飛翔体質量(密度2 .79/cm3)でプロットしている。 図10 JEMバ ン パ ー の 貫 通 限 界 曲 線 と 試 験 ・シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 の 比 較 a. 保 存 方 程 式:質 量,運 動 量,お よ び 運 動 エ ネ ル ギ ー に 関 す る そ れ ぞ れ の 保 存 則. b. 状 態 方 程 式:衝 突 時 の 材 料 の 相 変 化 を 記 述 す る 方 程 式.衝 突 速 度 が7km/s以 下 で 固 体 ま た は 液 体 と し て 挙 動 す る 材 料 で はMie-Gruneisen型 衝 撃Hugoniotの 状 態 方 程 式 を 用 い る.速 度 が 約7km/sを 超 え る 超 高 速 衝 突 領 域 で は,衝 撃 圧 縮 に 伴 う 温 度 上 昇 と そ れ に 続 い て 発 生 す る 希 薄 波 に よ り気 化 が 生 じ る.そ こ で 衝 撃 に 伴 う 気 化 現 象 を 模 擬 す る た め にTillotsonの 状 態 方 程 式 を 用 い る. c. 構 成 方 程 式:衝 突 に よ り生 じ る 構 造 体 の 応 力,ひ ず み 関 係 を 記 述 す る.与 圧 壁 の 構 成 方 程 式 は,降 伏 応 力 が,相 当 塑 性 ひ ず み,ひ ず み 速 度,お よ び 相 同 温 度 に 依 存 す る Johnson-Cookの モ デ ル を 用 い た. d. 破 壊 基 準:構 造 体 の 破 壊 基 準 は ス ポ ー ル 圧 力(負 の 限 界 静 水 圧)と 相 当 塑 性 ひ ず み 限 度 に よ る 瞬 時 破 壊 モ デ ル で あ る.一 方,気 化 領 域 で は 材 料 は 始 め か ら 流 体 状 と仮 定 し て 相 当 塑 性 ひ ず み に よ る破 壊 は 考 え な い-ま た,ス ポ ー ル 圧 は 零 と仮 定 す る. (4) 検 証 結 果 最 初 に2段 式 軽 ガ ス 銃 に よ る 超 高 速 衝 突 試 験 結 果 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 比 較 す る.図10にStuffed Whipple Shieldに つ い て 示 す(速 度6km/s以 下)よ う に 両 者 の 結 果 は 共 に 貫 通 限 界 経 験 式 を 満 足 し,か つ 両 者 は よ く一 致 し て い る10). っ ぎ に ア ル ミ 球 デ ブ リ に つ い て 超 高 速 度 領 域(10∼12 km/s)で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 実 施 し た.シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を プ ロ ッ ト し,貫 通 限 界 曲 線 と の 一 致 を 評 価 し た 図 10(10km/s以 上)を 見 る と,シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 方 が 経 験 的 貫 通 限 界 よ り も 防 護 性 能 が 低 い こ と が わ か る. さ ら に,成 形 爆 薬 試 験 結 果(11km/s近 傍)を プ ロ ッ トす る と非 貫 通 限 界 は さ ら に 低 く な る.成 形 爆 薬 試 験 で は デ ブ リ の 形 状 効 果 に よ る 貫 通 力 が ア ル ミ 中 実 球 に 比 べ 等 価 質 量比 で 約3∼5倍 高 い と見 込 ん で お り9),こ れ を 補 正 す る と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 よ り も若 干 高 い 非 貫 通 限 界 が 推 定 さ れ る.な お,こ の 速 度 領 域 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に つ い て は 状 態 方 程 式 に 使 用 す る 材 料 物 性 値 に つ い て さ ら に 研 究 が 必 要 で あ る と考 え て い る.最 終 的 に 検 証 に よ っ て 修 正 さ れ た 貫 通 限 界 曲 線 を も と にPNPを 再 計 算 し,要 求 値 を 満 足 し て い る こ と を 確 認 す る. 5. あ と が き JEMは わ が 国 が 初 め て 開 発 に チ ャ レ ン ジ す る 大 規 模 有 人 宇 宙 シ ス テ ム で あ る.こ こ に 解 説 し た デ ブ リ防 御 技 術 は, 筆 者 ら が 経 験 し た 技 術 開 発 の1つ で あ る が,初 め て の 試 験 設 備 の 開 発,デ ー タ の 取 得,計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 実 施 と数 学 モ デ ル の コ リ レ ー シ ョ ン(correlation),バ ン パ ー 設 計 等,技 術 開 発 に 必 要 な ア プ ロ ー チ と手 順 が す べ て 含 ま れ て お り,本 誌 の 読 者 の 方 々 の 参 考 に な れ ば 幸 い で あ る. (2002年5月10日 受 付) 参 考 文 献 1) 白木 邦 明:「 き ぼ う」全 体 シス テ ム,日 本 航 空 宇宙 学 会 誌,49-572, 211/225 (2001)
2) Protecting the Space Station from Meteoroids and Orbital Debris: National Research Council, National Academy Press, Washington, D. C. (1997)
3) A. Lindenmoyer, J. Theall and J. Williamsen: Meteoroid and Orbital Debris Risk Mitigation for the International Space
Station, IAA. -95-IAA. 6.6.05, 46th IAC, Oslo (1995) 4) E.L. Christiansen, J.L. Crews, J.E. Williamsen, J.H.
Robin-son and A.M. Nolen: Enhanced Meteoroid and Orbital Debris Shielding, Int. J. Impact Eng., 17, 217/228 (1995) 5) 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, 44-512, 520/529 (1996)
6) J.A. Zukas (ed.): High Velocity Impact Dynamics, John Wiley & Sons, New York, 731/829 (1990)
7) S. Toda, et al.: Study of Hypervelocity Impact Testing with Shaped Charge, Proc. 20th ISTS, 1401/1406 (1996)
8) 白 木,大 坪,野 田: JEMデ ブ リ バ ン パ ー の 成 形 爆 薬 試 験 結 果,第 45回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会,01-3B6,浜 松(2001) 9) 白 木,片 山,八 坂:成 形 爆 薬 に よ る 超 高 速 衝 突 試 験 と 飛 翔 体 形 状 の 影 響 評 価,日 本 航 空 宇 宙 学 会 論 文 集, 49-572, 300/309 (2001) 10) 白 木,寺 田,野 田,片 山:JEM与 圧 部 構 造 の 宇 宙 デ ブ リ 防 御 性 能 に 関 す る 性 能 評 価 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン,日 本 航 空 宇 宙 学 会 論 文 集, 47-544, 189/196 (1999)
