(三菱航空機㈱提供) ㈱三菱航空機ご提供はやぶさも含めた航空宇宙のトピックスと今後の展望日本大学特別講義 2010.12.8 JAXA 理事研究開発本部長・航空プログラム統括リーダ石川隆司予算額（22年度）：1800億円職員数（常勤、21年度末）：1490名 JAXA組織図理事長監事理事会議経営企画部監事室広報部総務部一般管理部門財務部国際部セキュリティ統括室 SE推進室産学官連携部安全･信頼性推進部施設設備部評価･監査室宇宙輸送ミッション本部情報・計算工学センター宇宙教育推進室宇宙利用ミッション本部契約部筑波宇宙センター管理室研究開発本部宇宙科学研究所宇宙輸送システムの研究開発、打上げ衛星プロジェクトシステム技術基盤的、先端的技術研究開発宇宙科学研究･大学院教育国際宇宙ステｰションを通じた有人宇宙環境利用システムの研究開発社会安全、地球環境プログラム宇宙プロジェクトの技術開発支援科学衛星プロジェクト周波数管理室情報化推進部人事部追跡ネットワｰク運用、大型衛星試験施設運用通信･測位プログラム航空プログラムグループ航空科学技術の研究開発事業共通部門 1 日本の宇宙開発の最新のトピックス (はやぶさを中心に) 2 小惑星探査機はやぶさ 2010/6 地球に帰還イトカワ ●目的小惑星に着陸して、そのかけらを地球に持ち帰る技術を確立するための、工学実験探査機。近日点約 1.0ＡＵ、遠日点約1.4 ＡＵの太陽同期軌道重量 510kg 3 4 5 イトカワに着陸したはやぶさ(想像図) 6 大気圏に突入したはやぶさとカプセル [オーストラリア: ウーメラ実験場での写真] 7 8 前面ヒートシールド • • • • • 秒速12kmで大気に突入するカプセルはスペースシャトルの30倍という厳しい「空力加熱」に晒される。この空力加熱から機体を守るためのヒートシールド。アブレータという熱防御をするための炭素繊維強化プラスティックからできている。ヒートシールドの裏面（インスツルメントモジュールに触れる内側部分）に敷き詰められた白い綿状のものは断熱材で、外からの熱が内部に到達するのを遅らせる効果がある。前面ヒートシールドは、背面ヒートシールドと一緒にパラシュートを開く際に分離され、そのまま地上に落下した。過酷な空力加熱を経た後、さらに秒速40m/sで地上に激突したはずであるが、思いの外、損傷もなく奇麗な状態で発見された。 9 金聖探査周回衛星あかつき 2010年5月21日打ち上げ成功 ●目的自転の 60 倍もの速度の暴風の吹き荒れる金星の大気の不可解な運動を調べ、或星気象学に貢献していくこと重量約500kｇ 10 「あかつき」の分離と、それから撮った地球の姿同時に打ち上げた宇宙ヨット「イカロス」と、展開のイメージ 11 きぼう日本実験棟（ＪＥＭ）船内保管室ロボットアームエアロック船内実験室船外実験プラットフォーム船外パレット 12 静止衛星軌道（高度36,000km）（地球直径の約3倍）国際宇宙ステーション（高度400km）（地球半径の16分の1）地球観測衛星（高度800km）（観測可能範囲地球）（半径：6,400km） 13 日本の宇宙飛行士たち現在までに8人の宇宙飛行士が誕生！・毛利衛・向井千秋・土井隆雄・若田光一・野口聡一・古川聡・星出彰彦・山崎直子更に2人,候補を採用 14 2008/3/11打上げスペースシャトルミッション STS-123: 土井宇宙飛行士が搭乗し、船内保管室を取り付け 15 土井宇宙飛行士の撮影した写真:美しい地球の大気 16 若田さんの乗ったシャトル打上げ(STS-119) 宇宙おもしろ実験(公募) をしている若田さん! 息をジェットに空間移動 17 若田さんの滞在が伸びたのでとれた映像南米上空のオーロラ (2009/6/13) 最近の山崎飛行士の飛行(s-131)の映像:初めて日本人が二人(野口飛行士)と宇宙に滞在 18 ＨＴＶ（ISS用補給機:こうのとり）宇宙ステーションに結合(写真) 国際宇宙ステーションの補給機がHTV （H-II Transfer Vehicle） H-IIBロケットの先端に付けて打ち上げ・無人の軌道間輸送機・食糧や衣類・各種実験装置・最大6トンの物資輸送推進部との分離(CG) 19 Ｈ-ⅡＢロケットロケットの諸元・性能全長５６ｍ直径５．２ｍ重量５５１トン HTV高度打上能力１６．５トン遷移軌道打上能力約６トン HTV高度：高度約６００ｋｍ遷移軌道：高度約１００００ｋｍ 20 Ｈ-ⅡＡロケットロケットの諸元・性能全長５３ｍ直径４ｍ重量２８５トン低高度打上能力約１０トン静止軌道打上能力約２トン低高度：高度約２５０ｋｍ静止軌道：高度約３６０００ｋｍ 21 温室効果ガス観測技術衛星いぶき (GOSAT) 2009/1/23 打上げ成功 ●目的温室効果をもたらすガスである二酸化炭素の濃度分布を宇宙から観測します。重量約1,650kg 22 いぶきの観測データ公表値の一例二酸化炭素（カラム平均濃度）の解析結果 23 準天頂衛星みちびき(QZS-1) 2010/9 打上げ成功現在、運用試験中パドル展開時、全幅 25mにもなる大型衛星 ●目的日本の真上にできるだけ長く留まる軌道を飛び、測位システムの精度向上に寄与(m誤差) 3機(理想的には4 機)そろうと完全なシステムとなる重量約4,000kg 24 準天頂衛星みちびき(QZS-1) 衛星軌道を地上に投影すると、日本とオーストラリアを結ぶ８の字のようになる現状の GPS の死角をなくす利用実験が新年から開始される予定。新ソフトを搭載したカーナビが必要 25 JAXAの支援する日本の航空機技術開発と産官学連携の現状 26 YS-11以来40年振りに国内で開発される旅客機: MRJ Mitsubishi Regional Jet (90人乗りまたは 70人乗り) 本体は経済産業省プロジェクト正式名称は環境適応型高性能小型航空機㈱三菱航空機ご提供最近米国から100機の大型受注の報道: 総受注は125機に 27 JAXA技術が含まれる項目競合機に対する燃費改善量（座席当りのブロックフェエル） 25% ・エンジンによる燃費改善・機体アレンジ工夫による小型化 10% ・構造の軽量化・空力・構造同時最適化・空力形状の工夫 0% (400nm運航時/2005年6月現在） MRJは、この大きさの飛行機では、世界一、油を消費しない飛行機 28 社会的要請への対応国産旅客機高性能化技術の研究開発 MRJ機の差別化技術に対するJAXAの寄与 JAXAの得意技術をベースとした差別化技術の追加によるMRJ機の国際競争力向上が機体開発メーカ(MHI)から要請されている。 ★開発機に導入しようと検討している差別化技術開発をJAXAが担当凡例： (三菱航空機㈱提供) ● 低コスト複合材構造技術重量・コスト低減 ●●空力弾性評価技術構造の軽量化，安全性の向上 ●●操縦システム技術評価、安全性・操縦性向上 ●●構造衝撃評価技術非常時の安全性向上 ●運航経済性（燃費等）向上 ●客室快適性向上 ●安全性向上 ●環境適合性向上 ●空力最適化技術翼の高性能化による燃費の低減 ● ●機体騒音低減技術環境適合性および客室環境の向上： 2005.9の計画変更に伴う追加/ 強化項目 •上記技術は、すべて旅客機開発における共通重要技術課題 29 航空機構造重量に占める複合材比率の変遷 – 航空機構造重量に占める先進複合材比率旧MD社旅客機エアバス社旅客機米国軍用機ボーイング 7E7 目標 787 ボーイング社旅客機将来型旅客機旧来複合材を用いた場合のエアバス A380コストによる限界 –Airbus A380 (%) 西暦年 30 CFRP の根幹:炭素繊維の製品例チョップド糸（短繊維）クロス（連続繊維の織物）フィラメント（連続繊維）プリプレグ（繊維を半硬化の樹脂で固めたもの） 31 CFRPの優れた比強度・比剛性 ×１０５ｍ比強度=引張り強度／密度 (σb/ρ) １．５高強度型炭素繊維使用CFRP 炭素繊維(PAN)/エポキシ CFRP: 一方向材高強度炭素繊維使用CFRP 積層材 (45/0/-45/90)s １．０高弾性型炭素繊維使用CFRP ０．５通常金属材 AI,Ti, 鉄鋼 SiC/Ti 炭素(PAN,Pitch)/エポキシCFRP 一方向材炭素繊維/アルミ SiC 粉体/アルミ００．５１．０１．５２．０７比剛性=弾性係数／密度 (E/ρ) ×１０ｍ 32 炭素繊維の強さの秘密（１）直径Φが7ミクロン程度と細い ⇒ 含まれる欠陥は非常に小さいため、高強度を示す。（寸法効果）（2）グラファイト（黒鉛）面が繊維の長手方向に配向 ⇒ 長手方向に共有結合が並ぶため、高強度・高剛性を示す。径方向は分子間力のみのため、低強度、低剛性である。（異方性材料）径方向長手方向 33 プリプレグ複合材料構造の製造工程と製造装置受け入れ検査切断積層加熱・硬化脱型仕上げ検査製品航空機メーカオートクレーブ:高コストの一要因大きなものでは一基数百億円 34 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造低コスト複合材製造法(VaRTM)の概要プリフォーム（炭素繊維）大気圧真空排気樹脂注入ジグ表面樹脂が含浸する気密シール VaRTM (バータム) (Vacuum assisted Resin Transfer Molding：真空圧樹脂含浸成形法) 炭素繊維織物切断樹脂重量測定樹脂脱泡積層樹脂含浸／加熱硬化後硬化樹脂混合 VaRTM の工程 35 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造 VaRTMとプリプレグとの比較 VaRTM法による一体成形の特徴と課題     オートクレーブ不要プリプレグ不要部品点数削減複雑形状製造可能    成形品質（高Vf, 板厚の安定) 仕上がり寸法精度 → 強度のばらつき強度保証法の確立 VaRTM複合材と、プリプレグ複合材との差異 VaRTM複合材プリプレグ複合材設備投資低高成形コスト低高成形品質低高寸法精度低高 36 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造実大主翼構造６ｍ外板の試作製造性を考慮した最適化構造設計をJAXAで実施ストリンガ積層後実際の製造はカド・コーポレションというベンチャー企業で実施プリフォーム積層後 37 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造 (４) 実大主翼構造６ｍ外板の試作バギングと真空引き上面外板の製作: スティフナのプリフォームの配置 38 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造含浸技術開発段階でのJAXAと企業の協力 JAXAの持つ非破壊検査技術(パルスサーモグラフィ)を用いて未含浸領域のデータを素早く提供 • ½領域を5x11に分割撮影、その後画像を結合 • 60フレーム/秒、20秒間 2m主翼部分構造 11 5 ½領域を55分割 39 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造パルスサーモグラフィによる探傷結果ベンチャー企業では手を出しにくい部分の補完 t= 1.6 Frame=30（0.5s） t= 3.2 板厚変化部の樹脂リッチ領域コーナーパッドアップ部の未含浸ストリンガ直下の未含浸部 40 国産旅客機高性能化技術のうち、低コスト複合材構造 6m実大主翼構造の強度試験静的強度試験(100%負荷)の状況写真架構に装着された主翼供試体実際のMRJ尾翼の試験に先立ってVaRTM 構造の特性把握 41 国産旅客機高性能化技術のうち、着水衝撃解析ディッチング荷重解析技術ディッチング（非常着水）の耐空性要求  着水時に乗員へ障害を与える可能性を最小にすること．  予想されるあらゆる水上条件において，破壊までも想定した状態で，乗客が脱出できる間，浮かんでいられること  着水時に，窓やドアの破壊を考慮しないならば，局部的な最大圧力に耐えるように設計すること．  証明は，スケールモデルによる模型試験，又は類似機体の過去の試験からの相似性解析による必要がある．目的：ディッチング荷重推定手法の構築設計時の荷重推算及び適合性証明に向けて，  基礎～検証試験の実施，試験技術の獲得  ディッチング解析技術、機体への荷重の推定手法構築（流体・構造連成解析） 42 国産旅客機高性能化技術のうち、着水衝撃解析ディッチング荷重評価手法の構築 ◎波の着水への影響を評価（２）波の頂―Case11 波の谷―Case16 波の中腹―Case21 A3 ピッチ角 A9 A6 垂直変位波による着水への影響が解析（LS-DYNA ALE法) により如実に示されている 43 ナノ複合材研究での産官学連携の事例 JAXA-企業-東大の研究カーボンナノファイバ添加によるCFRP改良 • 化学的気相成長法(CVD)により製造したカップスタック型ナノファイバー (CSNF) → ㈱GSI クレオス社製:日本 15n m 80nm 50nm 15nm CARBERE® CSNFの概念図:大きな中空コア、Grapheneシートの端面が露出 44 ナノ複合材研究での産官学連携の事例 CSNF/エポキシを含浸した CFプリプレグ開発に成功充分なCSCNFの分散 (GSIクレオス社) 今後の発展への期待:強度以外の多機能化の視点必要 45 ナノ複合材研究での産官学連携の事例 CSNFプリプレグを用いたCFRPの圧縮強度と弾性係数 Co mpr e ssio n S t r e n gt h o f CNT- CFRP Co n pr e ssio n Mo du lu s o f CNT- CFRP +25% 700 80 600 70 60 Modulus (Gpa) Strength (Mpa) 500 400 300 200 50 40 30 20 100 10 0 0 Blank CNT 4.5wt% CF: Toray T700 180g/m2 RC38% Test : NAL-III Blank CNT 4.5wt% CF: Toray T700 180g/m2 RC38% Test :NAL-III 46 ナノ複合材研究での産官学連携の事例 CSNFプリプレグを用いたCFRPの層間破壊靭性 0.3 0.25 GIc [kJ/m2] 0.2 0.15 0.227 0.1 0.170 0.05 0.190 0.161 0.148 東京大学 (工学部航空宇宙工学科)との共同研究成果 0.086 0 0wt% 5wt% 5wt% + sprinkle (AR10) 5wt% + film(AR10) 5wt% + 5wt% + sprinkle film(AR100) (AR100) 47 JAXA産業連携センターによる産業連携事例(JAXA資金による技術スピンオフ) リュージュ座席部分のCFRP化 JAXA-東大-小企業の連携 48 リュージュ設計・開発支援「航空宇宙技術を活用したビジネス提案」の枠組みにより、技術的に協力 http://aerospacebiz.jaxa.jp/openlab/index.html 日本リュージュ連盟産業連携センター研究開発本部複合材グループ風洞技術センターサカセアドテック㈱㈱ UCHIDA オービタルエンジニアリング三島工業㈱東京大学青木研究室（先生・学生の皆さん）㈱遠藤木型 49 新型リュージュ設計コンセプトシャーレ(GFRP → 先進複合材料) ・軽量化・操作性（剛性調整）・飛散防止設計クーへ(木製) シーネ (鋼製) •部品製造性 •部品製造精度 •組立精度空気抵抗低減設計（風洞試験で外形形状設定）橇の高さ低下・操作性・重心低下従来品よりも一桁精度の高いものつくり 50 橇の製作とバンクーバーへ向けての準備リュージュ製作状況原田選手と青木教授（ウインターベルクにて滑走試験）リュージュ座席部（シャーレ）バンクーバーウィスラースライディングセンター 51 次回オリンピックに向けて加速度センサ慣性モーメント計測加速度センサ -5.00 0 10 20 30 40 50 60 70 -6.00 -7.00 -8.00 -9.00 系列1 系列2 系列3 系列4 系列5 系列6 -10.00 -11.00 -12.00 加速度センサを装着し滑走しデータ分析重心位置の移動量計測 52 ボーイングB-787における先進複合材の適用鋼材 Steel その他 Other 5% 10% チタン合金 Titanium 15% CFRP CFRPサンドイッチ GFRP アルミ合金鋼・チタンエンジンパイロン複合材 Composites 50% アルミ合金 Aluminum 20% B777の経験を生かした大きな決断 53 ボーイングB-787 全CFRP主翼初号機用の写真三菱重工株式会社殿のホームページから引用 54 B787主翼の内部構造の写真中央翼との結合部の問題点などが指摘され、チタンを用いた補強などの改造設計が行われた高荷重の作用するCFRP構造には、まだまだ、研究が必要 55 B-787のCFRP製胴体展示会用デモ品日本の川崎重工業とイタリア:アレニア社で分担 56 B-787の最近の飛行写真トラブルにより、長らく飛べないでいたが、2009年12月初飛行、写真は2番機 57 本年のFarnborough航空ショーに展示されたB-787 飛行展示をするという説もあったが、結局それはなし 58 講演のまとめ  宇宙開発: はやぶさの帰還が大きな話題となった。宇宙ステーション建設終了。宇宙飛行士の活躍。いぶきなどの衛星が活躍。あかつきなど新しい科学ミッションも続々。  50年ぶりの国産旅客機(MRJ)開発の開始 JAXAは最大限の技術開発と支援を実行中  構造・材料関係: 産官連携の好例 - 先進複合材料(低コストVaRTM-CFRP）の使用に向けてJAXAは本番のMRJ尾翼に先駆けて、ベンチャー企業と組んで翼開発  ナノ材料使用のCFRPでの産学官連携の事例 – ㈱GSIクレオスとJAXAの共同研究が発端、東大の参加  ボーイング787でのCFRPの大量使用 – 日本の航空機産業の全面参加(日本のワークシェア35%) – 製造現場、下請けなどでは中小企業の活躍 59