宇宙開発競争における複合材料
2019年7月20日は、最初の Apollo の50周年を迎えました。 月面着陸。ただし、当時は Apollo カプセルが製造され、複合材料産業はまだ揺籃期にあり、材料はまだ広く使用されていませんでした。 Apollo カプセルは、ガラス繊維-フェノールハニカムマトリックスにシリカ繊維を含むエポキシノボラック樹脂であるAvcoatから作られたアブレイティブヒートシールドの形で初期の複合技術を使用していました。ガラス繊維のハニカムを一次構造に接着し、ペースト状の材料を各セルに個別に注入しました。 アポロ以降 、高度なコンポジットは飛躍的に進化し、ロケット、スペースシャトル、衛星、宇宙望遠鏡、国際宇宙ステーションで使用される宇宙プログラムで重要な役割を果たしてきました。
今日、人類は宇宙探査へのいくつかの刺激的な新しいステップの準備ができていることに気づきます。現在の政権は、2024年までに米国の宇宙飛行士による月への帰還を呼びかけ、米国航空宇宙局（NASA、ワシントンD.C.、米国）の有人宇宙探査プログラムに250億ドルを超える2021年の予算を発表しました。 NASAの管理者ジムブライデンスティンは、予算は「NASAの歴史の中で最も強力な予算の1つ」であると述べています。
別の月のショットに加えて、NASAは、太陽から最も外側の惑星の氷の月まで、そしてそれを超えて、私たちの太陽系を研究するための現在および今後のミッションを持っています。太陽を探索するミッションは現在進行中です。この記事の執筆時点で、パーカーソーラープローブは現在太陽の大気を監視しており、ソーラーオービターは正常に打ち上げられています。トランジット系外惑星探査衛星（TESS）ミッションとジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡を通じて、太陽系外惑星と遠方の銀河の探査を促進する取り組みも進行中です。後者は、過去1年間で打ち上げ準備に向けて前進しました。
新しい宇宙船とプログラムもまた、近年、国内および国際的な宇宙機関と商業企業との間の協力の増加から生じています。たとえば、SpaceX（Hawthorne、CA、U.S。）とそのクルードラゴン 宇宙船、ボーイングスペースアンドローンチ（バージニア州アーリントン、米国）、スターライナー 宇宙船は、2011年7月のスペースシャトルプログラムの中止以来、最初の乗組員による米国の宇宙飛行に向けて競争しています。両社は、2021年の乗組員による任務を期待して、NASAとのテスト飛行を行っています。
NASAの宇宙計画へのサポートの増加から商業宇宙の爆発的な成長まで、人類は次の偉大な宇宙時代に向けて真に準備ができているようです。複合材料と先端材料は、このすべての探査を可能にするランチャー、宇宙船、および機器の製造においてますます大きな役割を果たしています。
月
人間を月に戻すための包括的なプログラムは、ギリシャの月の女神であり狩りであるアポロの双子の姉妹であるアルテミスにちなんで名付けられました。プログラムの範囲は広大です。 アルテミス 月周回軌道基地を確立し、宇宙飛行士が月をさらに探索できるだけでなく、火星への最終的なミッションの前哨基地として月を使用できるようにします。 Artemis はいくつかのプロジェクトで構成されています スペースローンチシステム（SLS）として知られる新しいヘビーローンチシステム、オリオンを含むプログラム 乗組員の船、ゲートウェイとして知られる月周回軌道宇宙ステーション そして月着陸船。高度な複合材料は、これらすべてのコンポーネントを何らかの形で考慮に入れています。
ヘビーランチャー。 SLSロケットステージは出荷の準備ができています。ソース| NASA
スペースローンチシステム（SLS）
NASAの新しい大型ロケットは、地球の軌道を超えた探査を可能にすることを目的としています。 2015年、NASAはElectroimpact（Mukilteo、WA、U.S。）自動繊維配置（AFP）マシンに投資し、アルミニウムハニカムコアを備えた炭素繊維スキンで作られた直径8メートルを超えるサンドイッチ構造を含む大規模なロケット部品を製造しました。 AFPヘッドは、最大16スプールの炭素繊維を保持し、21フィートのロボットアームの端に配置され、繊維を正確なパターンで工具表面に配置して、さまざまな形状とサイズの構造を形成します。
同様のサンドイッチ構造は、手動のレイアッププロセスを使用して、RUAG Space（Decatur、AL、U.S。）によって作成されます。同社はダイネチックス（米国アラバマ州ハンツビル）と協力して、SLSの上位ステージにオリオンを追加するユニバーサルステージアダプター（米国）を開発しています。 クルーモジュール。 RUAG Spaceは、互いにホットボンドされる4つの複合ハニカムコアクォーターパネルで構成される、アダプターの直径8.4メートルのシェルを製造します（詳細）。
オリオン多目的クルービークル
ロッキードマーティン（米国メリーランド州ベセスダ）が製造したコマンドモジュールと、欧州宇宙機関（ESA、パリ、フランス）が提供し、エアバスディフェンスアンドスペース（ドイツ、オットブルン）が製造したサービスモジュールで構成されています。オリオン アルテミスの心臓部です プログラムし、宇宙飛行士を宇宙に運び、宇宙旅行中に探査機として機能し、乗組員を地球に戻します。
オリオン の推進システムには、Aerojet Rocketdyne（米国カリフォルニア州サクラメント）によって製造された多数のコンポーネントが含まれています。これには、AerojetRocketdyneのR-4Dエンジンファミリーに基づく8つの110ポンド推力バイオ推進剤補助エンジンが含まれます。 Aerojet Rocketdyneは、打ち上げ中止システム（LAS）の投棄モーターと、宇宙船用の複合オーバーラップ圧力容器も提供しています。 2020年の初めに、Aerojet Rocketdyneは、固体ロケットモーターケースを製造するために炭素繊維巻き取り機を設置しました（詳細）。
再入場の場合、オリオン ロッキードマーティン製の直径5メートルのカーボンファイバー熱シールドを使用 これは、カーボンファイバースキンとチタンハニカムコアを備えたサンドイッチ構造として製造されています。次に、熱シールドはAvcoatのパネルで覆われます。これは Apollo に使用されているのと同じ奪格材料です。 ミッション（詳細）
コマンドモジュールがサービスモジュールに接続するポイントで、チタンボルトで熱シールドにアブレーション材料の4つの圧縮パッドが取り付けられています。圧縮パッドは、発射および上昇中の構造的負荷、および2つのモジュールの分離中の（爆発性ボルトからの）パイロショックに耐える必要があります。また、高温耐性とアブレーションに対する再突入要求にも対応する必要があります。カーボンファイバー/フェノールパッドが初飛行で使用されました Orion テスト車両ですが、飛行後に層間亀裂の証拠を示し、Bally Ribbon Mills（Bally、PA、US）の3D織り石英材料を使用する3D Multifunctional Ablative TPS（3D-MAT）として知られる3D織りソリューションに置き換えられました）およびToray Advanced Compositesのシアネートエステル樹脂システム（詳細）。
月軌道プラットフォームゲートウェイ（LOP-G）
ゲートウェイは、NASAがロシア、カナダ、日本、ヨーロッパの宇宙機関などの国際的なパートナーとともに開発している月周回軌道の宇宙ステーションです。 ゲートウェイの 役割は、月の探査をサポートし、火星への最終的なミッションの前哨基地として機能することです。ステーションのさまざまなモジュールは開発中であり、何らかの形で複合材料を使用する可能性があります。
空軍研究所（AFRL;米国オハイオ州デイトン）によって開発されたロールアウトソーラーアレイ（ROSA）と、高ひずみ複合材料（HSC）を使用した展開可能な宇宙システムがゲートウェイプログラムで使用されます。 HSCは、小さなパッケージに収まり、展開することで展開するように設計された、薄くて軽量の複合材料です。 ROSAシステムは、2つのカーボンファイバーHSCブームを使用して、大きなソーラーアレイブランケットを展開して張力をかけます。 （HSCの詳細をご覧ください）。
ゲートウェイへのもう1つの潜在的な貢献は、Canadarm-3です。カナダ宇宙庁（カナダ、ケベック州ロングイユ）によって提案されたこのデバイスは、炭素繊維複合材で作られた8.5メートルのロボットアームです。以前のカナダアームシステムは、スペースシャトルと国際宇宙ステーション（ISS）で使用されていました。
月着陸船
多くの企業が Artemis の月面着陸システムのコンセプトに取り組んでいます。 、これらすべてに複合材料の可能性が含まれています。たとえば、Blue Origin（ケント、ワシントン州、米国）は、提案されている3台の月面着陸システムで、ロッキードマーティン、ノースロップグラマン（フォールズチャーチ、バージニア州、米国）、ドレーパー（ケンブリッジ、マサチューセッツ州、米国）と提携しています。ブルーオリジンのブルームーン 月着陸船、ノースロップグラマンが提供する「トランスファーエレメント」ビークルで、着陸システムを月軌道に配置します。ロッキードマーティンが提供する「アセントエレメント」ビークルは、宇宙飛行士を月面から月軌道に戻します。降下誘導システムと飛行アビオニクスはDraperによって提供されます。月着陸船のコンセプトに取り組んでいる他のいくつかの企業には、ボーイング、ダイネティクス、スペースX、シエラネバダコーポレーション（コロラド州ルイスビルと米国ウィスコンシン州マディソン）があります。
NASAは、乗組員の月着陸船に加えて、さまざまな科学調査と大規模な技術デモンストレーションのペイロードを可能にするために、中小規模の月着陸船の両方の必要性を予測しています。
アルテミススーツ
2019年10月、NASAは2つの新しい宇宙服の設計を発表しました。新しい探査船外活動宇宙服（xEMU）とオリオンクルーサバイバルシステム（OCSS）のスーツで、どちらも Artemis に使用されます。 月のミッションをプログラムします。
xEMUスーツは、船外活動（EVA）に現在使用されているスーツよりもはるかに優れた機動性を提供すると報告されています。 NASAの製造宇宙服と長年の関係を持つILCDover（Frederica、Del。、U.S。）によると、xEMUスーツは、2016年にNASAに納入されたZ-2として知られるアドバンスウォーキングスーツのアップデートです。
「2016年以来、ILCドーバーは、ウォーキングスーツ、ゼロgスーツ、ランチエントリースーツのデザインを改善し続けています」と、ILCドーバーの製品マーケティングであるダンクロップは述べています。
Z-2宇宙服のプロトタイプは、デザインにカーボン/エポキシの胴体とヒップの要素を備えています。 （宇宙服での複合材料の使用の詳細については、「火星では、どんな訴訟でもうまくいくわけではありません」を参照してください。）
NASAのOCSS宇宙服は、 Orion の加圧ランチおよびエントリースーツとして設計されています。 乗務員。 NASAは新しいデザインの材料の詳細を発表していませんが、かなりの量の複合材料が含まれていることは間違いありません。シャトル時代のランチスーツとエントリースーツは、デュポン（バージニア州リッチモンド、米国）の難燃性メタアラミドノーメックスの外層を特徴としていました。以前の船外活動宇宙服（EMU）は、パラアラミドケブラー（デュポンが開発）であるノーメックスと、W.L。が製造した防水性と通気性のあるファブリックメンブレンであるゴアテックスの組み合わせを使用していました。ゴア＆アソック。 （米国、デラウェア州ニューアーク）（詳細）
火星
アルテミスの大部分 イニシアチブは、火星に人間を送るための準備を整えています。その間、NASAはこの夏、火星への無人ミッションに向けて取り組んでいます。このミッションでは、赤い惑星に新しいロボットローバーとロボット探索ヘリコプターを設置します。
カプセル型のエアロシェルは、火星の大気圏への進入と着陸の際に、火星2020ローバーを保護します。エアロシェルは、カーボンファイバースキンを備えたアルミニウムハニカムで作られています。熱シールドは、タイル張りのフェノール含浸カーボンアブレーター（PICA）熱保護システムを使用しています。
マーズ2020ローバー自体は、長さ約10フィート、幅9フィート、高さ7フィート（長さ3メートル、幅2.7メートル、高さ2.2メートル）です。 NASAはローバーの構築に使用された材料の詳細を発表していませんが、Advanced Composites Training（ACT、ロンドン、オンタリオ、カナダ）がNASAのジェット推進研究所（JPL、パサデナ、カリフォルニア、米国）のコンサルタントを務めたことが知られています。 ）火星2020ローバーの建設のための複合材料の使用について（詳細）
2,314ポンド（1,050キログラム）のローバーは、平均的なコンパクトカーよりも軽量です。赤い惑星への旅には軽量で耐久性があり、カメラや科学機器、火星ヘリコプター（惑星を探索するために使用されるもう1つの複合材料を多用する航空機）を運ぶのに十分な強度が必要です。 。
火星ヘリコプターは、1,500を超える個別の炭素繊維、飛行グレードのアルミニウム、シリコン、銅、ホイル、フォームで構成されており、重量は4ポンド（1.8キログラム）以下です（詳細）。
太陽
現在、太陽とその振る舞いについての理解を深めるために2つのミッションが進行中です。どちらも、地上の電気システム、衛星通信、GPSに影響を与える可能性のある太陽の嵐を予測することを最終目標としています。
パーカーソーラープローブ
パーカーソーラープローブ 2018年8月に打ち上げられ、太陽と太陽風のコロナを研究するためにその場での測定とイメージングを実行します。この領域の極端な温度に耐えるために、プローブは厚さ4.5インチの軽量反射シールドを使用しています。この熱保護システム（TPS）は、2つのカーボンラミネートの間に挟まれたカーボンファイバー複合フォームから作られ、太陽に面する表面に白いセラミックペイントでコーティングされています。シールドは、ジョンズホプキンス応用物理研究所（米国メリーランド州ローレル）によって設計され、Carbon-Carbon Advanced Technologies（米国テキサス州ケンデール）で製造されました。
プローブの機器のほとんどはTPSの後ろに隠れており、熱シールドの端に沿ったセンサーが宇宙船を正しく配置し続けます。航空機に電力を供給するために使用されるソーラーアレイは、保護のために熱シールドの影に引っ込めることができます。ソーラーアレイと計装を涼しく保つために、1ガロンの水を循環させることによって動作する単純な冷却システムも採用されています。
2019年1月、NASAはパーカーソーラープローブ 近日点として知られる、太陽への4回目の接近に続いて設計どおりに動作していました。宇宙船とこの保護熱シールドの背後にある計器は約85ºF（30ºC）の温度のままでしたが、航空機のTPSは1,134ºF（612ºC）の新記録温度に達しました。 2024〜25年の宇宙船の最も近い3つのペリヘリアの間、TPSの温度は約2,500ºF（1,370ºC）になります。
ソーラーオービター
ソーラーオービター 、欧州宇宙機関（ESA）とNASAの共同ミッションであり、2020年2月に開始されました。オービターは、その包括的な機器セットが太陽の極の初めての画像を提供できるようにする独自の軌道上にあります。
>宇宙船は、さまざまな機器用の開口部を備えた炭素繊維複合材/チタン層状ソーラーシールドによって保護されています。 324ポンドの熱シールドは最大970ºF（521ºC）に耐えることができ、熱を反射するために厚さ0.05mmのチタン箔の層を使用しています。シールドは、厚さが約5センチメートルで、2つの高熱伝導率カーボンファイバースキンを備えた軽量アルミニウムハニカムで作られた2.94 x2.56メートルのサポートパネルによってサポートされています。 572ºF（300°C）に耐えることができる多層断熱材によって、さらなる保護が提供されます。ソーラーオービターの熱シールドは、リン酸カルシウムの薄い黒い層でコーティングされています。
太陽系を超えて
2019年8月、米国カリフォルニア州レドンドビーチにあるノースロップグラマンの施設のエンジニアは、ミラーと科学機器を含むジェームズウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）光学望遠鏡要素と、JWSTを組み合わせた宇宙船要素を機械的に接続しました。初めての日よけと宇宙船。望遠鏡の両方のコンポーネントは個別にテストされていますが、これは2つの半分が1つの天文台に統合されたのは初めてのことです。望遠鏡が2021年に計画された打ち上げに向かって進んでいるため、マイルストーンはWebbにとって重要なものでした。
JWSTは、これまでに製造された中で最も強力で複雑な宇宙望遠鏡であり、ハッブル望遠鏡の100倍の性能を備えています。望遠鏡は、赤外線を使用して宇宙を探索するように設計されており、天文学者が宇宙で最も遠い物体を観察できるようにし、遠方の星、太陽系外惑星、および最初に形成された銀河の画像を提供します。望遠鏡は、複合材料が衛星や宇宙船をどのように実現するかを示す刺激的な例でもあります。
望遠鏡プラットフォームは、光学望遠鏡要素（OTE）、統合科学機器モジュール（ISIM）、および宇宙船バスとテニスコートサイズの日よけを含む宇宙船要素（SCE）の3つの主要コンポーネントで構成されています。
JWSTは、炭素繊維バックプレーンを使用して、望遠鏡のミラー、計器、およびその他の要素（合計2,400キログラム（2.5トン）を超えるハードウェア）をサポートします。この構造は、長期間の集光中に望遠鏡を安定させる役割も果たします。バックプレーンは、-406°Fから-343°F（-243°Cから-208°C）の範囲の極端な温度にもかかわらず、38ナノメートルを超えて変化することはできません。
バックプレーンは、Toray Advanced Compositesが提供する炭素繊維とHexcel（Stamford、Conn。、U.S。）のシアネートエステル樹脂を含むプリプレグで作られています。この構造には、10,000を超える軽量炭素繊維複合部品が含まれています。バックプレーン構造全体には、中央セクション、ウィングアセンブリ、およびバックプレーンサポートフィクスチャ（BSF）が含まれ、完全に展開した場合、高さ約24フィート、幅19.5フィート、奥行き11フィート（7.3 x 5.9 x 3.4メートル）になります。重量はわずか2,180ポンド（989キログラム）ですが、7,300ポンド（3,311キログラム）を超える重量の機器をサポートします。これは、自重の300％を超える積載量です。
JWSTのOTEには、プライマリミラーとバックプレーン構造に加えて、展開可能なタワーアセンブリ（DTA）、セカンダリミラーサポート構造、望遠鏡の科学機器と冷却システムを収容するISIMフレームワークが含まれています。これらの構造は、Toray AdvancedCompositesの超高弾性炭素繊維とシアネートエステル樹脂のプリプレグで作られています。
「これらの材料は非常に優れた光学ベンチ材料です」と、東レの熱硬化性樹脂の製品マネージャーであるショーン・ジョンソンは述べています。 「UHMファイバーの高い剛性は非常に安定した構造を提供し[そして]ある程度の減衰を提供します。 [JWST]が見ようとしている低温で非常に良いです。」
SCE（宇宙船バス）も東レの炭素繊維複合材でできており、宇宙船の推進力、観測支援システム、太陽光発電、アクティブ冷却システム、通信を収容しています。バスは同時に軽量でありながら、打ち上げ時に展望台を支えながら45トンに相当する力に耐えることができなければなりません。
2019年10月、JWSTはサンシールドの展開テストに合格し、現在2021年に発売される予定です。（詳細）
大きな飛躍
次の数年は、宇宙探査のまったく新しい時代の舞台を設定します。この新しい黄金時代に必要な宇宙船とシステムが進化し続けるにつれて、複合材料のサプライヤーと製造業者は、材料と技術を新しい限界に押し上げるという課題に常に挑戦するでしょう。
樹脂