構造技術規律チーム (TDT) は昨年、数多くの調査に参加しましたが、複合材、破壊力学、圧力容器がリストの大半を占めています。これら 3 つの特殊性はすべて、複合オーバーラップ圧力容器 (COPV) にとって重要です。

今年の TDT の最も重要な発見の 1 つは、COPV の現在の仕様と試験基準に起因して、構造寿命を過小予測する固有の脆弱性が露呈したことです。このNESCの取り組みとその勧告は、航空宇宙コミュニティ全体の現在および将来のすべてのCOPV運用の安全性とミッションの成功を大幅に向上させるでしょう。

損傷許容度の分析基準は COPVS にとって保守的ではない可能性がある

COPV は、流体またはガスを含む金属ライナーと、強度を提供する複合オーバーラップで構成されます。宇宙飛行 COPV の運用圧力サイクルは通常、自動フレッタージと呼ばれる初期過圧から始まります。サイクル、これにより金属ライナーが得られますが、より強力な複合オーバーラップは弾性を保ちます。自動フレッタージュ中にライナーが降伏すると、ライナーが少量成長し、その結果、自動フレッタージュ後に COPV が減圧されるときにライナーが圧縮されます。

その後の動作サイクルは、弾性 (弾性応答 COPV) または弾塑性 (塑性応答 COPV) のいずれかになります。

宇宙飛行 COPV の損傷許容寿命評価は、ANSI/AIAA-S-081B、Space Systems – Composite Overwrapped Pressure Vessels によって規定されています。この規格は、弾性応答ライナーを備えた COPV の損傷許容分析 (DTA) のベースライン要件を提供します。

この規格により、DTA は弾性応答サイクルとは独立して弾塑性オートフレッタージュ サイクルの影響を考慮することができます。弾性的に応答するサイクルは、線形弾性を使用して解析できます。破壊力学NASGRO 亀裂成長解析ソフトウェアなどの (LEFM) ツール。この規格では、DTA は、その後の弾性応答サイクルに対する自動フレッタージュ サイクルの有益な影響を考慮してはならないと規定していますが、オートフレッタージュ サイクルの有害な影響の可能性は考慮していません。

研究では、オートフレッタージュ後の線形弾性破壊力学解析の非保守主義(NASA/TM-20230013348) に基づいて、NESC チームは、オートフレッタージュ サイクルがその後の弾性サイクルに及ぼす影響について、実験と分析を組み合わせた調査を実施しました。

試験は、COPV ライナーの動作サイクルを表す周期的な荷重を受けた、部分的に表面に亀裂のあるクーポンに対して実施されました。テストの半分は完全な荷重履歴 (自動フレッタージュ サイクルを含む) で実施され、残りの半分は自動フレッタージュ サイクルが省略されたことを除いて同一でした。

顕微鏡写真の破断面が示すように、自動フレッタージュ サイクルを使用したテストでの亀裂は、オートフレッタージュ サイクルを除外した同一のテストでの亀裂よりも速く成長しました。自動フレッタージュ サイクルによって残されたマークと延性破壊領域の間の距離は、LEFM サイクルによる亀裂成長量 (Δ=0.0077 インチ) でした。LEFM のみのテストにおける LEFM サイクルによる亀裂の成長は、Δa=0.0022 インチであり、同一の自動フレッタージュと LEFM テストよりも 3 倍以上遅かった。

検証された有限要素解析と実験的測定を使用して、オートフレッタージュ サイクルの影響を評価しました。弾塑性オートフレッタージュサイクルにより、亀裂の前方に広い塑性変形領域が形成され、亀裂の先端が鈍くなることが判明しました。これまでの破壊力学試験と文献に記載された解析研究では、弾性過負荷を調査し、亀裂の前の塑性変形により残留応力が発生し、亀裂表面を閉じ、その後の亀裂の成長速度が低下することがわかりました。

ただし、ピーク応力と最小応力における亀裂表面の有限要素シミュレーションで示されているように、亀裂の鈍化により、亀裂は荷重全体にわたって開いたままになります。実験的に観察され、検証済みの有限要素解析でシミュレーションされた、オートフレッタージュサイクルを使用したテストと使用しないテストの違いは、規格で許可されている損傷耐性解析アプローチが保守的でない可能性があることを示しています。

NESC は、代替の損傷許容度解析アプローチを提案し、基準に関する AIAA 航空宇宙圧力容器委員会が ANSI/AIAA S-081B 基準を更新して、ピーク自己フレッタージ応力に続く圧縮応力を持つ COPV ライナーに対処することを推奨しました。

COPVS の損傷耐性の簡単な紹介

ANSI/AIAA S-081B 規格、Space Systems – Composite Overwrapped Pressure Vessels は、産業界、政府、大学の協力により開発された宇宙用途で使用される COPV の一般的な慣行をまとめたものです。この規格は、破損管理委員会が監督する飛行適格性評価に使用される損傷許容寿命分析など、COPV の多くの側面をカバーしています。

損傷耐性の基準では、COPV が「COPV がその寿命で経験することを表す境界応力にさらされる非破壊評価 (NDE) では見逃される可能性のある金属ライナーに最大の亀裂が生じた状態で 4 回の動作寿命に耐える」ことが要求されています (製造、統合、熱および残留物を含む運用）。

COPV ライナーの動作寿命には、通常、最初の弾性-塑性サイクル (自動フレッタージュまたはプルーフ) と、それに続く弾性 (弾性応答ライナー) または弾性塑性 (塑性応答ライナー) のその他のサイクルが含まれます。代表的な負荷スペクトルを右に示します。

オートフレッタージュ中、COPV は少なくとも耐圧力まで加圧されてライナーの内面を圧縮し、動作時の応力の影響を受けにくくします。弾性応答するライナーを備えた COPV は、LEFM 解析ツールを使用して損傷耐性を認定できますが、塑性応答するライナーは試験によって損傷耐性を認定する必要があります。

COPV 損傷耐性に対する LEFM ツールの適切性の評価に関するガイダンスは、NESC Technical Bulletin No. 21-04、COPV および金属圧力容器損傷耐性に対する LEFM ツールの適切性の評価、寿命検証、および NASA/TM-2020-5006765 に提供されています。/1・2巻。

構造分野の未来

同庁が新たなプログラムの商業契約を伴う戦略的業界パートナーシップの形成に向けてさらに進む中、Structures TDT は、チームの戦略ベクトルとして適切な要件に適切に焦点を当てる必要性を強調しました。NASA 規格は参考のために提供されることがよくありますが、その規範的な性質は商業契約での使用に必ずしも適しているとは限りません。

業界パートナーや NASA チームのメンバーは、各プログラムに固有の代替標準を作成していますが、これらの標準の詳細な要件に関しては、異なるプログラム間で一貫性がありません。ソフトグッズ、大規模展開可能な構造物、インフレータブル、確率的分析技術、積層造形ハードウェアなどの新興テクノロジーはすべて、独自の要件を推進しています。

TDT は、NASA プログラムの洞察/監視戦略を支援するために、ミッションの優先順位とリスク態勢に関連付けられた調整ガイドの必要性を認識しました。業界パートナーの利用は、NASA が所有するハードウェアの減少を意味し、組織の知識の損失につながる可能性があります。

各センターのエンジニアリング部門が社内プロジェクトを積極的に探し、次世代のエンジニアが飛行ハードウェアの開発、設計、テスト (DDT) の実践的な経験を積む機会を得ることが不可欠です。この経験は、NASA エンジニアが独自の DDT プロセスを通じて商業パートナーを指導し、NASA 要件の適切な検証と妥当性確認を提供できるようにするために必要な基礎となります。

構造 TDT メンバーは、すべてのセンターとプログラムを横断する多様なチームを形成し、要件の解釈に関する良好なコラボレーションを促進し、最終的には NASA 乗組員の安全とこれらの新しい商用プログラムでのミッションの成功を保証します。