JP5569878B2 - スペースデブリ用軽量シールド - Google Patents

Description

本発明は、スペースデブリやメテオロイドの衝突から宇宙構造物を防御するシールドに関し、詳しくは、防御性能を向上させ、かつ、軽量化を図ったスペースデブリ用軽量シールドに関する。

約５０年間に渡る宇宙開発の進展に伴って、地球を周回する軌道上には人工的残存物であるスペースデブリ（ｓｐａｃｅ ｄｅｂｒｉｓ：宇宙ゴミ）が増加している。スペースデブリの代表的なものは、塗料の破片やボルト、打ち上げロケットの残骸等であり、寿命を終えた人工衛星もその一つである。このうち地上レーダから軌道が分かっているものは直径約１０ｃｍ以上のものであり、２００９年２月のアメリカ、ロシアの人工衛星衝突によりその数はさらに増加し、現在約１４０００個が確認され、１ｃｍから１０ｃｍのものは１０万個以上、ミリメートルサイズ以下のものは４０００万個以上とも予想されている。またさらに、宇宙を浮遊する天然物体であるメテオロイド（ｍｅｔｅｏｒｏｉｄｓ：流性物質）も存在する。メテオロイドは天然岩石や鉱物・金属等で構成された宇宙塵（微小な隕石）からなる。このため、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）や人口衛星はスペースデブリやメテオロイドと衝突する頻度が高まっている。スペースデブリ等が集中している低軌道では周回速度が約５ｋｍ／ｓ以上と超高速度であり、さらに軌道傾斜角によっては相対的に約１０ｋｍ／ｓ以上にも及ぶため、スペースデブリ等自体の質量が小さくても運動エネルギーが極めて大きく、宇宙構造物にスペースデブリ等が衝突した際の被害は甚大で、スペースデブリ等の衝突に対する防御策が極めて重要となる。

現在、ＩＳＳの日本の実験モジュール（きぼう）には２種類のシールドが設置されている。一つは、１９４７年にＦｒｅd Ｌ．Ｗｈｉｐｐｌｅが提案した宇宙構造物の主構造（与圧壁）と、それから外側に離して配置した数ｍｍ厚さのアルミニウム合金板から構成されるホイップルシールド（Ｗｈｉｐｐｌｅ ｓｈｉｅｌｄ）である。もう一つはホイップルシールドの防御性能を高めるため、アルミニウム合金板の内側に、断熱材（ＭＬI）・アルミニウムメッシュ・セラミック材（Ｎｅｘｔｅｌ）／アラミド繊維（Ｋｅｖｌａｒ）を多層構造にしたスタッフィングを組み込ませたスタッフィングホイップルシールド（Ｓｔｕｆｆｅｄ ｗｈｉｐｐｌｅ ｓｈｉｅｌｄ）である。これらはともに、ホイップルシールド及びスタフィングと主構造との間に、スペースデブリの粉砕、拡散及びスペースデブリ衝突時に発生する衝撃波の直接的な伝搬を防ぐ目的から、空間を設けた構造となっている。

特許文献１には、前記ホイップルシールドの構成からなるスペースデブリ粉砕機能に優れた、耐衝撃バンパが開示されている。バンパはムライト結晶層を含有するセラミック焼結体からなり、スペースデブリとバンパ材がｎｍサイズにまで微細に粉砕されることにより、スペースデブリは霧状に破砕し、宇宙ステーション、人口衛星等の本体への損傷を軽減するとしているが、従来のアルミニウム合金製のバンパに比べ、かなり重量が重くなっている。

非特許文献１には、前記スタッフィングホイップルシールドからなるスペースデブリシールドが開示されている。スタッフィングの積層材料の防御性能を上げ、バンパ材料を繊維強化プラスチックとすることにより、従来のスタッフィングホイップルシールドに比べ、軽量化を図っているが、充分な軽量化がなされていない。

特開２００６−１１８５４１号公報

小山修人他「高分子材料を用いた試作デブリシールドにおけるＣＦＲＰおよびポリイミドの積層効果」、２００７年第５１回宇宙科学技術連合講演会講演集（ＣＤ−ＲＯＭ）、Ｐａｇｅ．２Ｆ１４

国際宇宙ステーションの実際の運行中には１ｃｍ〜１０ｃｍのスペースデブリやメテオロイドとの衝突の可能性もあり、さらなる防御性能を有するバンパの開発が急務となっている。さらに、宇宙船内のスペースの拡大、宇宙空間へのバンパ輸送経費の膨大の削減の為の軽量化が課題となっている。本発明は、スペースデブリシールドの防御性能を向上させ、かつ、軽量化を図ったスペースデブリ用軽量シールドを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、宇宙構造物表面から外側に間隔をおいて設置したバンパにより層構造を形成してなる宇宙構造物のシールドであって、層構造が少なくとも２層以上形成され、そのうちの少なくとも１層が液体を充填した液体層またはゲル状物質を充填したゲル状物質層であり、液体層またはゲル状物質層が、宇宙構造物の貯液槽を兼用する層である。
第２に、宇宙構造物を地上より打ち上げるときには空の層とし、宇宙において液体及び／またはゲル状物質を供給して液体層及び／またはゲル状物質層とする。
第３に、繊維強化プラスチックからなるバンパにより、少なくとも１層の繊維強化プラスチックの層構造を形成してなる。

本発明の第１には、宇宙構造物表面から外側に間隔をおいて設置したバンパにより層構造を形成してなる宇宙構造物のシールドであって、層構造が少なくとも２層以上形成されおり、そのうちの少なくとも１層が液体を充填した液体層であるので、スペースデブリやメテオロイドに対する防御性能を向上させたスペースデブリ用軽量シールドを提供することができる。また、スペースデブリ用軽量シールドの液体層の少なくとも１層が、ゲル状物質を充填したゲル状物質層であるので、液体の保持性を向上させることができる。さらに、スペースデブリ用軽量シールドの液体層またはゲル状物質層の少なくとも１層を、宇宙構造物の貯液槽を兼用する層とすることにより、宇宙構造物を軽量化し、輸送経費を大幅に削減するとともに、飲料水、排水、燃料電池生成水、実験液、工業液、廃液等の宇宙構造物内貯液槽の削減による室内スペースを向上させたスペースデブリ用軽量シールドを提供することができる。

本発明の第２には、上記第１のスペースデブリ用軽量シールドの層を、宇宙構造物を地上より打ち上げるときには空の層とし、宇宙において液体、またはゲル状物質を供給して液体層、またはゲル状物質層とすることにより、輸送経費を大幅に削減したスペースデブリ用軽量シールドを提供することができる。

本発明の第３には、上記第１または２のスペースデブリ用軽量シールドにおいて、繊維強化プラスチックからなるバンパにより、少なくとも１層の繊維強化プラスチックの層構造を形成することにより、さらに軽量化を向上させたスペースデブリ用軽量シールドを提供することができる。

上記本発明によれば、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）等の宇宙構造物に対するスペースデブリやメテオロイドとの衝突の防御性能向上と、軽量化によるペイロード軽減、輸送経費の膨大な削減を可能としたスペースデブリ用軽量シールドを提供することができる。

実施例１のバンパ２ａとゲル状物質層５と与圧壁３ａからなるホイップルシールド１ａの構成図を示す。 比較例１のバンパ２ａと与圧壁３ｂからなるホイップルシールド１ｂの構成図を示す。 比較例２のバンパ２ａと与圧壁３ｃからなるホイップルシールド１ｃの構成図を示す。 実施例１の与圧壁３ａの損傷写真を示す。 比較例１の与圧壁３ｂの損傷写真を示す。 比較例２の与圧壁３ｃの損傷写真を示す。

以下、本発明の実施の形態について詳述する。

本発明のスペースデブリ用軽量シールドで用いられるバンパの材質としては、軽量、かつ強度のあるものであれば特に制限なく用いることができ、これらのものとしては、例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム等、またこれらの合金、繊維強化プラスチック等を挙げることができる。繊維強化プラスチックとしては、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維等の繊維に対して、母材として、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、メチルメタクリレート樹脂等の樹脂を含浸させて硬化させた、一般に公知の繊維強化プラスチックを用いることができる。

本発明のスペースデブリ用軽量シールドの少なくとも１層に充填される液体としては、通常の状態で液体のものであれば特に制限なく用いることができる。これらのものとしては、例えば、水、アルコール、液体酸素、液体水素等、または、これらの混合液体を挙げることができる。本発明においては、入手及び取り扱いの点から水を好ましく用いることができる。

また、本発明のスペースデブリ用軽量シールドの、少なくとも１層のゲル状物質層に充填されるゲル状物質としては、一般に公知のゲル状物質を用いることができる。これらのものとしては、例えばハイドロゲル（多糖類、タンパク質、吸水性ポリマー等のゲル化剤からなるゲル）、オルガノゲル（金属石鹸、ヒドロキシ脂肪酸、アミノ酸誘導体、ソルビトール誘導体、コレステロール誘導体、脂質膜類似物等のゲル化剤からなるゲル）等、またはこれらの混合物を調製したゲル状物質を適宜選択して用いることができる。本発明に特に好適に用いられるゲル状物質としては、吸水性ポリマー、特にアクリル酸系ポリマー（アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物）に水を吸収させてゲル化したゲル状物質を挙げることができる。

本発明のスペースデブリ用軽量シールドにおいては、層構成を適宜選択して設定することができる。即ち、例えば３層の構成とした場合、最下層を液体層とし、第２層をゲル状物質層、最外層を空の層とするような層構成とすることもできる。

上記のように本発明においては層構成を適宜選択することができるが、スペースデブリ等の衝撃エネルギーの吸収をより効率的に行うためには、最外層を空の層として構成することがより好ましい。これは、最外層のバンパに衝突したスペースデブリ等をバンパで粉砕し、その破片をバンパ内側の空の層内で拡散させて、粉砕したスペースデブリ等の衝撃エネルギーをさらに下の層で吸収することにより与圧壁への直接的な衝撃の伝播を阻止するために有効となるからである。

本発明のスペースデブリ用軽量シールドは、宇宙構造物を地上より打ち上げるときには層を空の状態とし、宇宙において層内に液体またはゲル状物質を供給して液体層またはゲル状物質層とすることができる。

なお、ゲル状物質層とする場合には、地上で層内にあらかじめ液体と混合することによりゲル状物質となるゲル化剤を載置しておき、宇宙において層内に水等を供給してゲル状物質層とすることもできる。

また、本発明のスペースデブリ用軽量シールドは、バンパを上記繊維強化プラスチックからなるバンパとすることにより、繊維強化プラスチックの層構造を形成することができる。この際、バンパ全てを繊維強化プラスチックからなるものとすることにより、最下層以外の層を繊維強化プラスチックによる層構成としてもよいし、一部のバンパをその他の素材、例えばアルミニウム合金からなるものとすることにより繊維強化プラスチック層とアルミニウム合金層が混在する層構成としてもよい。

本発明のスペースデブリ用軽量シールドは上記のような構成であるが、バンパの内側にアルミメッシュや、防弾チョッキに用いられているアラミド繊維、セラミック繊維、ポリイミド樹脂等を多層構造にしたスタッフィングを設置することにより、さらに防御性能、断熱性能を向上させ、さらに宇宙空間の激しい温度変化による耐劣化性を向上させたスペースデブリ用軽量シールドとすることもできる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

実施例及び比較例に用いたホイップルシールドは以下に示す材料を用いて作製した。
＜与圧壁＞
アルミニウム合金板（Ａ２０２４−Ｔ４） ５ｍｍ厚
＜バンパ＞
アルミニウム合金板（Ａ６０６１−Ｔ６） １ｍｍ厚
＜ゲル状物質の組成＞
吸水性ポリマーゲル：アクリル酸系（アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物）に水を吸収させたもの。

重量比 水：吸収性ポリマー＝１００：１
＜衝突試験＞
上記材料で作製したホイップルシールドにスペースデブリ等を模擬した下記＜飛翔体＞を＜衝突条件＞にて衝突させて、与厚壁の損傷状況を評価した。
＜飛翔体＞
直径：７ｍｍ
長さ：１４ｍｍ
質量：０．６６ｇ
材質：ポリカーボネート樹脂
形状：円柱
＜衝突条件＞
２段式軽ガスガンで衝突速度約５ｋｍ／ｓで実施した。

飛翔体の衝突速度は２本のＸ線レーザーを使用し、レーザー間を飛翔体が通過する際に変化する電圧の時間差から速度を計測した。

図１に与圧壁３ａの外側に隣接してバンパ２ａを設置し、形成された層にゲル状物質を充填してゲル状物質層５とし、さらに外側に空間をおいて、最外層にもう１枚のバンパ２ａを設置した構成のホイップルシールド１ａの衝突試験の概略図を示す。ホイップルシールド１ａの合計距離は１２０ｍｍとした。

表１に該ホイップルシールド１ａの詳細な構成を示す。

ここで面密度とは各材料の密度（ｋｇ／ｍ^３）にそれぞれの板厚み（ｍ）を乗じたものであって、板厚みの影響をなくし、それぞれの材料比較をしている。

衝突試験は前記＜衝突試験＞に従っておこなった。

表４に衝突試験の結果を示す。また図４に与圧壁３ａの損傷写真を示す。
＜比較例１＞

図２に与圧壁３ｂとそれから外側に離して配置したバンパ２ｂから構成される既存のホイップルシールド１ｂの衝突試験の概略図を示す。なお、ホイップルシールド１ｂの合計距離は実施例１と同様の１２０ｍｍとした。

表２に該ホイップルシールド１ｂの詳細な構成を示す。

衝突試験は前記＜衝突試験＞に従っておこなった。

表４に衝突試験結果を示す。また図５に与圧壁３ｂの損傷写真を示す。
＜比較例２＞

図３に与圧壁３ｃとそれから外側に離して２枚配置したバンパ２ｃから構成されるホイップルシールド１ｃの衝突試験の概略図を示す。なお、ホイップルシールド１ｃの合計距離は比較例１と同様の１２０ｍｍとした。

表３に該ホイップルシールド１ｃの詳細な構成を示す。

衝突試験は前記＜衝突試験＞に従っておこなった。

表４に衝突試験結果を示す。また図６に与圧壁３ｃの損傷写真を示す。

上記衝突試験の結果から、比較例１の与圧壁３ｂ及び比較例２の与圧壁３ｃは飛翔体４ｂ及び飛翔体４ｃが貫通したのに対し、実施例１では、飛翔体４ａは与圧壁３ａを貫通せず、これにより、スペースデブリやメテオロイドからの防御効果が実証された。

本発明は、宇宙構造物に対するスペースデブリやメテオロイドとの衝突の防御性能向上による安全性向上と、軽量化によるペイロード軽減、輸送経費の削減につながり、かつ製造コストの削減につながるシールドを提供することが可能となる。また、本発明のスペースデブリ用軽量シールドは、宇宙構造物だけでなく、戦車、装甲車や護衛車両等に対しても優れた防弾効果を有することから、防弾装備としての利用も可能である。

１ａ〜ｃ ホイップルシールド
２ａ〜ｃ バンパ
３ａ〜ｃ 与圧壁
４ａ〜ｃ 飛翔体
５ ゲル状物質層

Claims (3)

1. 宇宙構造物表面から外側に間隔をおいて設置したバンパにより層構造を形成してなる宇宙構造物のシールドであって、層構造が少なくとも２層以上形成され、そのうちの少なくとも１層が液体を充填した液体層またはゲル状物質を充填したゲル状物質層であり、
   液体層またはゲル状物質層が、宇宙構造物の貯液槽を兼用する層であることを特徴とするスペースデブリ用軽量シールド。
2. 宇宙構造物を地上より打ち上げるときには空の層とし、宇宙において液体及び／またはゲル状物質を供給して液体層及び／またはゲル状物質層とすることを特徴とする請求項１記載のスペースデブリ用軽量シールド。
3. 繊維強化プラスチックからなるバンパにより、少なくとも１層の繊維強化プラスチックの層構造を形成してなることを特徴とする請求項１または２記載のスペースデブリ用軽量シールド。