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sSpacecraft Structures and Materials背景と現状宇宙船の構造は、大小にかかわらず、打ち上げ、展開、使用中に発生する静的、動的、熱的ストレスに対して、故障や過度の歪みなく耐えられる材料でできていなければならない。 また、アンテナや反射板など、宇宙船の運用形態では大きすぎて入りきらない付属品は、打上げ時に折りたたんだ状態で梱包し、その後展開しなければなりません。 これらの設計要件は、重量、コスト、信頼性のガイドラインの中で満たされなければなりませんが、これらの条件は常に表裏一体であり、小型宇宙船の理念との関連で再評価されなければならないのです。 宇宙船の構造重量は、歴史的に全乾燥重量の20％程度に過ぎない。 しかし、多くの小型宇宙船では、構造から削られる1キログラムが貴重であり、追加ペイロード、自律制御装置、または補助装置のための容量が増加する可能性があるため、構造重量節約の重要性が強調されるかもしれません。 宇宙機の構造とそれを構成する材料は、コスト、強度、剛性、重量、信頼性、および変化への適応性に影響を与えるという点で、密接に関連した存在であるが、それでも、構造または材料のどちらかのカテゴリーに主に属すると考えられる問題を個別に議論することは好都合である。構造現在、ほとんどの小型宇宙船では、単純なトラス構造が静的および動的な荷重に対する主要な抵抗を提供し、平板パネル（多くの場合、サンドイッチ構造）がペイロードと関連する宇宙船の内容物を支えています。 宇宙船の構造構成の最適化にはあまり注意が払われていないようですが、将来のミッションでは、中央バス構造をより効率的に設計することが必要になります。 幸いなことに、これまでの宇宙船の構造と材料の研究、および飛行機と大型宇宙バスの飛行応用により、補強シェル構造やスキン・スティフナー・パネルなどの実証済みの高効率な構成が利用できるようになっています。 従来のバス構造に加えて、サイズに関係なく、ほとんどの宇宙船で展開可能で特殊用途の構造が必要とされています。 展開型構造物小型宇宙船がその使命を達成するためには、ブームや表面など、宇宙船の大きさに比べて非常に大きな付属物を必要とする場合がある。 このような付属物は、打ち上げ時には折りたたんだ状態で梱包され、運用時には展開されなければならない。 過去および現在の宇宙船は、機器や太陽電池ブランケットを支えるブームとして、あるいはアンテナや太陽電池アレイを形成する面構造体として、さまざまな多関節展開型構造物を使用してきた。 しかし、この20年間、NASAと国防総省における展開構造物の分野での先進的な開発は、ほぼ全面的に大型アンテナやプラットフォーム、特に精度が圧倒的に要求されるものに向けられるようになってきた。しかしながら、開発された技術は、特に高い精度が要求される小型宇宙船に有用である。既存の展開構造物のほとんどは、地上での展開を繰り返すことによって徹底的なテストを行うことによってのみ信頼性が確保される。 それでも、最近の飛行経験では、ハングアップが多発しており、悩ましいところである。 安価な小型宇宙船には、よりシンプルで信頼性の高い新しい展開設計が必要かもしれない。 制御・構造連成とスマート構造制御・構造連成の時代はすでに始まっており、その次のスマート構造2 の時代も始まっている。 これらの技術は、特に小型宇宙機の設計に関連するものである。 制御構造相互作用とは、変形可能な構造の変位と制御システムの性能との間の結合を指す。2 スマート構造は、振動と形状を能動的に制御するために必要な制御コンピュータとともに、センサーとアクチュエーターを一体化している。 また、打ち上げ後のジッターの抑制には、制御と構造の相互作用やスマートな構造設計が重要な役割を果たすが、実は小型宇宙船では規模の効果によりジッターの問題が強調されることがある。 NASA や国防総省などで開発されている実験的なスマート構造は、圧電素子4 センサーと機械的挙動を制御するアクチュエーターを含む複合材料プライで構成されています。 その他のアクチュエータ技術としては、形状記憶材料（ニチノールなど）、電歪効果、磁歪効果、6、マイクロモータなどが考えられる。 米国空軍フィリップス研究所は、宇宙船の構造減衰を2桁増加させることを実証し、アクティブおよびパッシブ振動抑制のための組み込みセンサーとアクチュエータの使用について軌道上で実証している。 また、グラファイト繊維／ポリマー・マトリクス複合材料は、密度に対する強度比や剛性比が非常に高く、航空機や宇宙船に多く使用されていますが、NASAの宇宙船よりも商業衛星に多く、軍事宇宙船ではさらに少なくなっています。 初期の小型宇宙船では、アルミニウムのみを使用する傾向があり、より高度な材料の余分なコストを避けるために、アルミニウムが使用されてきました。 より高い性能と軽量化が要求される将来の小型宇宙船では、必然的に先進的な材料が使われることになります。 3 リッターは、重要な性能を発揮する時間帯に許容できない外乱による振動である。 電歪効果は、材料が電界にさらされたときに、材料が可逆的に寸法を変化させることです。 6 磁歪効果とは、材料が電界または磁界にさらされたときに、材料の寸法が可逆的に変化することである。 アルミニウム・リチウム合金は密度が低く、剛性がやや高く、特定の合金では強度が高いため、製造や設計にほとんど変更を加えることなく、すぐに7～20パーセントの軽量化を実現できる可能性がある。 さらに、特定のアルミニウム-リチウムおよびマグネシウム-アルミニウム-リチウム合金は、極低温での靭性が著しく向上しており、液体酸素や液体水素燃料タンクにとって重要な特性である。宇宙構造に関しては、ほとんどの構造物の破損が座屈または応力破壊に関連しているため、これらの特性は特に重要であると考えられる。 座屈強度と降伏強度に基づくと、弾性係数と降伏強度または引張強度が増加すると、それに対応して構造重量が減少するはずです。アルミニウムリチウム合金は、2219や2014などの従来のアルミニウム合金に比べて、最大で12パーセント高い弾性剛性とアルコア合金2090の場合には、ほぼ20パーセントの引張強度の増加を実現することができます。 さらに、従来の合金と同様の加工・製造技術（機械加工、ケミカルミリング、ガスタングステンアーク溶接、ショットピーニングなど）をアルミリチウム合金にも利用することができます。また、開発中のアルミリチウム合金の低コスト・ニアネットシェイプ加工技術7により、一体加工構造に比べて20～30パーセントのコスト削減につながる可能性があると研究（General Dynamics、NASAなど）により示唆されています。 しかしながら、アルミニウムリチウム合金は、基本的に設計変更なしに従来合金からの代替が可能であり、いくつかの合金は民間航空機部品として「飛行試験」されつつあるが、特定のアルミニウムリチウム合金の鍛造品の使用には、その低貫通厚さ（短絡靭性）のために注意が必要である。Wel～a～iteはMartin Marietta社が開発したアルミニウムリチウム合金で、溶接性、強度、アルミニウムと同等の靭性、耐応力腐食性に優れた合金です。 2090合金は、従来の7075-T6合金に代わるものとして、また用途によっては2024-T3合金に代わるものとして、アルコアが開発した合金です。 合金2090は、すべてのアルミニウム-リチウム合金の中で最も高い強度を持っています。合金8090は、アルキャンによって開発され、合金2090よりも約15％～20％低い強度ですが、損傷許容度と短絡靭性が向上しています（Venkateswara RaoおよびRitchie、199221.製品457.製品457）。 ポリマー・マトリクス複合材料現在計画中の小型宇宙船プログラムでは、構造トラス部材、推進剤タンク（または金属タンクのオーバーラップとして）、およびフラットペイン！部品に有機マトリクス複合材料をかなり使用する傾向があります。 ポリマー・マトリクス複合材を使用することにより、宇宙船構造の大幅な軽量化（おそらく25～SOパーセント）を達成することができる。 しかし、このような複合材料のコストの問題は、その使用に対する信頼性を確立するために必要な工学的努力と切り離すことができないが、これは個々の機関や企業が利用できる専門知識の関数として変化する。 しかし、米国における複合材の設計経験の蓄積は、特に航空機産業と大規模なものでは、全体的なレベルに達しています。 a. – , ~ ~ ~ ~ – ~ , , – ~ 宇宙船の主契約企業では、従来のアルミニウム合金の独占的使用に基づく設計に関連する重量ペナルティを受け入れる残留傾向を打ち消すのに十分高いはずである。 さらに、業界の推定では、グラファイト・エポキシまたは同様の複合材料のコストは、長期的には、同じ用途でモノリシック・メタルのコストよりも低くなる可能性がある。 ポリマーマトリックス複合材料は、宇宙環境による劣化を考慮しなければならないが、ほとんどの小型宇宙船のミッションで現在考えられている3年から5年の暴露によって、その構造性能が著しく脅かされるという兆候は、今のところない。 SpaceSystems/Loral, Lockheed Missiles and Space Company, Martin Marietta Astro Space, and Lawrence Livermore National Laboratoryなどのいくつかの請負業者や政府の研究所は、宇宙船用の複合材構造を経済的に製造するための技術を開発しています。 チューブなどの構造体は、ゴルフクラブのシャフトの製造業者から航空宇宙産業の元請業者に至るまで、いくつかの商業サプライヤーからさまざまなコストで入手することができる。 その他のよく使われるポリマーマトリックス複合繊維は、ガラスとKeviarで、これらは黒鉛繊維と同様に処理される。 ガラス繊維、特にS-ガラス繊維は3パーセントのひずみが加わっても問題なく、大きなひずみ能力を必要とする用途に有用であるが、その強度と剛性は特筆すべきものでない。 一方、ケビアファイバーは、比引張強度と剛性が高く、電気的または誘電的特性が懸念される場合に有用である。 メタルマトリクス複合材料メタルマトリクス複合材料は、宇宙船のフレームや部品への応用が可能になってきている。 しかし、これらの材料は、従来のアルミニウム合金よりも一桁以上高価であり、特定の機械的特性の欠点があります（例えば、微粒子強化合金は、最近まで、低い延性と靭性特性を示していました）。 また、黒鉛強化マグネシウム合金などの特定の金属マトリックス複合材料は、黒鉛樹脂複合材料と同等の熱膨張係数で剛性を高めることができる（寸法安定性のため）。 NASAでは、宇宙輸送機の一次構造にホウ素-アルミニウムメ〜マトリックス複合材を、極低温タンクにシリコン-炭化ケイ素-粒子-アルミニウム合金を選択的に使用することが検討されています。 チタンやチタンマトリックス複合材料は、一般的に高温環境下での使用に適しています。 例えば、炭化ケイ素で強化されたチタン2IS合金は、800℃までの温度で有用であり、高温での腐食や酸化に対する優れた耐性を持っています。金属マトリックス複合材料は、高温の熱管理システム用の軽量、強力、高導電性材料としての用途も見出しています。 例えば、ロックウェル社は、極超音速航空機やロケットノズル、宇宙用電力システムのラジエーターフィンに使用する、グラファイト、モリブデン、タングステンを繊維強化材とする銅マトリクス複合材を開発しました。 これらの複合材料は、高熱流束や熱サイクルにおいて安定であり、従来の導電性合金に比べて耐クリープ性が向上しています。 炭素-炭素複合材炭素-炭素複合材は、一般的に約1650℃までの極端な温度を必要とする用途に使用されています。 実際、アクティブ冷却と組み合わせることで、3300℃の高温にさらされる機体の機首、翼、尾翼の前縁に使用することができます。 例えば、ナショナル・エアロスペース・プレーンでは、胴体の一部に、チタンとマトリックスの複合材に機械的に取り付けられた薄いパネルとして炭素-炭素複合材が使用されていた。 しかし、炭素複合材は耐熱性が非常に高い反面、酸化しやすいため、国家宇宙機では炭化ケイ素の薄い多層膜で保護する必要があった。 宇宙船の場合、炭素-炭素複合材料は、急速な高密度化により、構造体の製作時間とコストを大幅に削減できる可能性があります。 NASAでは、カーボン・カーボンの宇宙船チューブ・フレーム、および適切な熱、反射、および放射コーティングを施した精密反射器、アンテナ、放射器、およびエアロブレーキ・パネル用の連続およびバッチ処理技術の開発を行っている。 航空機や大型宇宙船（および数十年前の小型宇宙船）に関連する構造および材料技術の大部分は、現在および将来の小型宇宙船の設計に役立つ踏み台となり得るが、さまざまな技術分野とその統合により、さらなる研究開発の必要性が広範囲に存在する。 前述したように、従来の構造金属をアルミニウムからアルミニウム・リチウム合金に置き換えることで、ささやかではあるが、すぐに重量を削減することができる。 しかし、複合材料の製造と設計に関する現在の知識ベースは、特にポリマー・マトリクス複合材料については、徹底的な吸収が必要であるだけでなく、軽量化の約束と同時にコストを下げるという要求を満たすために、新興の小型宇宙船コミュニティによって大幅に強化されなければならないかもしれない。複合材料と複数の要件（例えば強度や熱伝導性の要件）を満たすよう明確に構成された部品には、明らかに軽量化の可能性がある。 また、予期しない（しかし避けられない）ペイロック構成の変更に対応するために、設計や製作を容易に変更することが必要である。 付属品のコンパクトな収納と信頼性の高い配置に関する既存のコンセプトや技術は、小型宇宙船にも引き続き適用できるかもしれないが、構造の小ささと大きな付属品の望ましさとの間に避けられない矛盾を考えると、この分野には新たな発明と開発の大きな可能性が存在すると考えられる。 最後に、既存の理論的および実験的な研究が数多く存在するものの、飛行経験がほとんどないため、小型宇宙船のエンジニアは、制御構造との相互作用やスマート構造などの新しい技術に深く関わる必要があり、コスト削減や軽量化の要素として宇宙船システム全体への統合を含め、その期待に応える必要がある。また、低コストと軽量化という基本方針に従って、高性能で信頼性が高く、適応性のある小型宇宙船の設計、製造、配備を実証することを目的とした産業界との共同プロジェクトのリーダーとして、小型宇宙船用の構造および材料技術の創造、強化、応用において潜在的に重要な役割を担っている。 また、これらの活動が互いに栄養を与え合うようにするためには、常に警戒が必要である。
宇宙船の構造と材料NASAの行動に対する以下の明確な推奨事項は、新技術の開発状況と合理的に期待できる潜在的な見返りを考慮した上で、小型宇宙船技術に関する委員会の総合判断を反映する優先順位で記載されている。 その目的は、高い展開信頼性、コンパクトな収納、十分な精度などであるべきである。 低コスト、軽量、信頼性、適応性という大きな要求を満たすために、適宜、利用可能な技術や新しい技術を活用し、高分子複合材料に基づく高度な小型宇宙船設計の開発を実証するNASAと産業界の共同プログラムを開始する必要がある。 大学や他の政府機関において進行中の研究と連携して、スマート構造および制御と構造の相互作用の分野で研究努力を強化すること。 最小限の努力とコストで迅速な軽量化が可能かどうかを判断するために、アルミの代わりにアルミ・リチウム合金を使用した現在の構造設計構成に主に基づいて、小型宇宙船の構造を設計、建設、および認定するための産業界との短期実証プログラムが実施されるべきである5．ポリマー・マトリックス複合材料技術に関する十分な専門知識をNASA内に維持し、強度、剛性、熱特性、製造の経済性を向上させることを目的とした研究の機会を特定し追求する必要があり、複数用途のコンポーネントの可能性やモジュール式の取り付け部や接合部のエンジニアリングに特に注意を払う。