先進CFRPモジュールがロケット軽量化、打ち上げ効率を向上

「野心的」という言葉でも控えめすぎるほど、宇宙産業の宇宙輸送コスト削減目標は高いです。一例として、米国航空宇宙局（NASA、ワシントンDC）は、ペイロードを地球軌道に投入するコストを、現在の10,000ドル/ポンドから25年以内に数百ドル/ポンド、40年以内に数十ドル/ポンドへ削減することを目標の一つとして掲げています。大西洋を挟んで欧州でも目標は高く：欧州宇宙機関（ESA、フランス・パリ）は、Ariane 6ロケットで、SpaceX（米国カリフォルニア州ホーソーン）Falcon 9のペイロードコスト/キログラムに匹敵または下回ることを意図しています。静止移行軌道（大多数の衛星が滞在）で7,500ドル/kg未満、低軌道で3,000ドル/kg未満と推定されています。

こうした目標のもと、ロケット構造軽量化が多数の宇宙産業組織で追求され、複合材がその努力で紹介されるのは当然のことです。これら追求の成功は、ベースライン金属部品で既に確立された基準（部品形状と熱力学的特性を含む）に準拠しながら、いかに軽量化目標を達成するかに最初にかかっています。

幸いなことに、こうした制約がミュンヘン工科大学（TUM、ドイツ・ミュンヘン）カーボン複合材講座を、研究ロケットの科学ペイロードモジュールの30%軽量化という初期見積もりを超える成果へ導くことを妨げませんでした。実際、REXUS（大学生のためのロケット実験）プログラムでTUMが設計・製造した初のカーボンファイバー強化ポリマー（CFRP）モジュールは、40%以上の軽量化を達成したと、カーボン複合材講座研究員Ralf Engelhardt氏が報告しています。このような軽量化は、ミッションに多数のコスト削減オプションをもたらします：より重いペイロード、より高い到達高度、または燃料消費削減。

境界条件内での設計

TUMのロケットモジュールは、REXUS研究ロケットの一区画を構成します。同ロケットはドイツ航空宇宙センター（DLR、ドイツ・ケルン）、スウェーデン国立宇宙機関（SNSA、スウェーデン・ストックホルム）、ESAにより資金提供され、欧州全土の大学プロジェクトを支援しています。REXUS研究ロケットは年2回打ち上げられ、準軌道飛行中の大学実験を可能にします。最大高度80-100km、最大垂直速度約1,200m/s、最大加速度約20Gで飛行します。科学ペイロードモジュールのベースライン構造はアルミニウムで、外径356mm、長さ300mm。TUM CFRPモジュールはREXUS Mission 23向けに設計され、現在の予定打ち上げ日は2019年初頭です。

REXUSプログラムは通常、科学ペイロードモジュール内部で実施される大学科学プロジェクトを支援しますが、TUMプロジェクトは実験対象が複合材モジュール自体—その設計、製造、性能、飛行認定—である点でユニークです。「我々の主目的はアルミニウムをCFRPで置き換えることで、これは典型的なミッションではありません」とEngelhardt氏は強調します。

モジュールは、円筒形CFRPシェル（直径356mm、長さ300mm、オリジナルアルミニウムと同一）と、雄雌一対の熱可塑性複合材ラジアルアキシャル（radax）荷重入力リングで構成され、隣接モジュールへのボルト接続を提供します。CFRP設計は、モジュールがロケットの他部分と整合した基準で性能を発揮しなければならないため、特定の幾何学的・熱力学的特性要件を満たすよう作成されました。このため、モジュール形状は事前定義され、アルミニウム版の肉厚との整合が要求されました。また、アルミニウム版と同等の剛性達成も必須でした。最も柔軟性のないモジュール特徴は、荷重入力リングの幾何学と機械的特性で、接続先モジュールとの相対位置と完全性を維持しなければなりません。

TUMモジュールは、カーボンファイバー/ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）材料で製造されます。高い機械的・熱的性能、アルミニウム比で高い比強度と比剛性が選定理由です。最終組立では、コルク層をシェルに接着剤接合し、断熱材としています。期待される30%軽量化に加え、TUMは効率的な製造アプローチも追求しました。初期設計には、radaxリングを長繊維熱可塑性（LFT）グレインからプレス成形し、脱型・統合準備後、熱可塑性自動ファイバー配置・インサイトゥ集積（TP-AFP）でフルモジュールを積層する製造コンセプトが含まれていました。

モジュール自体が主要「実験」であるため、TUMは二次実験用機器をモジュール内部に搭載する機会を得ました。チームは、埋め込みファイバーオプティックセンサー（FOS）で複合材構造内部温度を測定することを選択。Engelhardt氏によれば、FOSを熱電対ではなく選んだ理由は、細径と繊維形状によりCFRPシェル機械的性能への影響が最小限であり、光学信号がロケット遭遇電磁場で妨害されないためです。4本のFOS（具体的にはカプセル化ファイバーブラッググレーティング（FBG）センサー）が、TP-AFP製造中に積層内の異なる位置と深さに埋め込まれ、後でモジュール内の測定システムに接続されセンサーを動作させます。測定システムはデータ収集・管理を行い、地上局へダウンリンクを提供します。

二段階製造プロセス

モジュール製造で、TUMチームはまずリングを成形。Victrex plc（英国ランカシャー）PEEK 450CA30 LFTグレイン（2-3mm長カーボンファイバー含有）をリング形状金型でプレス成形。プレスを390℃に加熱、段階的に力増加（50-200kN）で圧縮、その後100℃で冷却・脱型。

シェルは、Teijin（日本・東京）Tenaxユニディレクショナルカーボンファイバー/PEEKプリプレグテープを、AFPT GmbH（ドイツ・デルト）製TP-AFP装置で製造。TP-AFPプロセスにより、熱可塑性テープのインサイトゥ集積が室温でCFRP荷重入力リング上に可能。オートクレーブ集積不要、事前製造リングへの集積により追加機械的ファスナーや接着剤が不要。Engelhardt氏はこの二段階プロセスの成果を評価。「これは新しい組み合わせです。熱可塑性テープでのインサイトゥ集積は常に挑戦的ですが、ここでは厚い単一リング上にテープ配置を成功させました。」

Engelhardt氏はFOS統合にも満足。これは新たな技術的挑戦でした。TUMはネートレジンでのFOS使用経験はありましたが、複合材積層ではなく、熱可塑性AFPプロセスでもありませんでした。チームはこの挑戦を克服し、飛行認定性能を達成しました。

最後にモジュールは独立したバルクヘッドを組み込み、測定デバイス搭載プレートとして機能します。バルクヘッドは、モジュールシリンダーと同一のカーボンファイバー/PEEK材料で構成されるフラットオルガノシートから、ドーム形状へ熱成形されます。

設計から認定へ

飛行認定達成のため、TUMは完全な試験・シミュレーション・評価プロセスを通じてプロジェクトを前進させました。まず、室温と最大使用温度135℃でクーポンレベル材料特性評価。サブコンポーネント試験で、リングとシェル間界面の層間せん断性能、ロケットモジュール接続用ファスナーの引き抜き強度が許容範囲内であることを確認。初期試験データがシミュレーションと設計への入力となりました。

有限要素構造解析で積層配置を最適化。シリンダー結果は34層対称積層（0°/±15°/±45°/90°）。モジュール製造後、TUMはフルスケール試験を実施。飛行認定荷重を満たすため、0-300Hzで周波数レベル0.083g²/Hzの振動試験を実施。また曲げ試験を実施し、認定荷重14kNmでの良好な性能を実証。

更なる改善へ

REXUS 23ミッションは元々2018年3月予定でしたが、前回REXUSミッションの困難により延期。現在は2019年2月下旬または3月上旬、スウェーデン・キルナから打ち上げ予定。TUMチームは追加時間を活用し、第二モジュールを製作し昨秋に試験・認定しました。この新ユニットでは、プレス成形ではなく、Elekem Ltd.（英国ランカシャー）による遠心鋳造でリングを製造。原材料は同一で、プレス成形リングのオリジナルモジュールも全飛行認定をクリアしています。しかし新モジュールは、リング性能を許容レベルから理想レベルへ近づけます。「プレス成形プロセスにはまだ最適化の余地があります」とEngelhardt氏。「しかし非常に有望です。」

将来目標としてEngelhardt氏は報告、そしてTUMが将来的にプレス成形に戻る理由は、AFPプロセスからのスクラップ材料でリングを作ることです。「カットアウトとロール残材をシュレッダーで粉砕し、それら小片でリングをプレス成形します」と同氏。このリサイクルプロセスに関する限られたデータと経験により、Mission 23の時間と予算制約内での実装は不可能でした。近未来の宇宙飛行で、リサイクル材料製リングの製作と認定を目指します。

ミッション完了後、TUMはFOSデータを用いて飛行中モジュール熱負荷のより詳細な画像を作成します。その知見は材料選択、モジュール設計と寸法決定の修正につながる可能性があります。「熱シミュレーションは過去測定に基づき実施しましたが、まもなく実データが得られます」とEngelhardt氏。「PEEKのガラス転移温度（Tg）143℃が必須でないことが分かるかもしれません」と同氏。「より低いTgなら、より安価なポリマーが使用可能になるかもしれません。」

より安価なポリマーとリサイクル材料使用の両方が、宇宙輸送コストを桁違いに削減する宇宙産業の全体目標に貢献します。しかし、TUMのREXUS努力の最大貢献は、すでに達成された40%の軽量化であることは疑いありません。