複合オーバーラップ圧力容器
構造繊維複合材で包まれた非構造ライナーを備えた圧力容器
探査ロケット内のCOPV

複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）は、薄い非構造ライナーを構造繊維複合材で包んだ容器で、流体を加圧保持するように設計されています。ライナーは流体と複合材の間にバリアを提供し、漏れ（構造破壊を引き起こさないマトリックスの微小亀裂によって発生する可能性があります）と構造の化学的劣化を防ぎます。一般的に、衝撃による損傷を防ぐために保護シェルが適用されます。 [1] [2]最も一般的に使用される複合材は繊維強化ポリマー（FRP）であり、[3]炭素繊維とケブラー繊維を使用しています。同サイズの金属製圧力容器と比較したCOPVの主な利点は軽量であることです。ただし、COPVは製造および認証のコストが高くなります。

アルタイルロケット段のケーシング。基本的にはグラスファイバー複合材で覆われた圧力容器。

概要

複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）は、通常、金属製ライナー、複合材オーバーラップ、および1つ以上のボスで構成される圧力容器です。[4]強度が高く軽量であるため、宇宙飛行で使用されています。[5]

運転中、COPVは加圧されていない状態から膨張します。[6]

製造業

複合PVは、樹脂を含浸させた高張力繊維テープを円筒形または球形の金属ライナーに直接巻き付けることによって製造されるのが一般的です。ロボットがテープを敷設する際には、繊維がまっすぐに並び、交差したりねじれたりしないよう配慮されています。交差やねじれは繊維に応力集中を生じさせる原因となります。また、テープ間の隙間や空隙が最小限に抑えられます。その後、容器全体を温度制御されたオーブンで加熱し、複合樹脂を硬化させます。

製造過程において、COPVはオートフレッテージと呼ばれる工程を経ます。ユニットは加圧され、ライナーが膨張して塑性変形を起こし、結果として恒久的な容積増加が生じます。その後、圧力が解放されるとライナーはわずかに収縮し、オーバーラップによって圧縮降伏点付近で圧縮荷重を受けます。この残留ひずみによりサイクル寿命が向上します。容器をオートフレッテージするもう一つの理由は、製品ライン内の圧力容器全体の容積増加が予想範囲内に収まっていることを確認するためです。通常よりも大きな容積増加は、オーバーラップの空隙、オーバーラップ層を介した高い応力勾配、その他の損傷などの製造欠陥を示している可能性があります。[5] [7]

テスト

COPVには、水圧試験、応力破断寿命、非破壊評価など、さまざまな試験と検査が実施されます。[8] [9]

エージング

経年劣化によるCOPVの強度に影響を与える主な要素は、サイクル疲労、オーバーラップの経年劣化寿命、応力破断寿命の3つです。[4]

失敗

COPVは複雑な故障モードに陥る可能性がある。2016年、SpaceX社の Falcon 9ロケットが発射台上で爆発したが、これは液体酸素タンク内のCOPVの故障が原因であった。 [10]この故障は、COPVのアルミニウムライナーと複合材オーバーラップの間に凍結した固体酸素が空隙または座屈部に蓄積したことが原因であった。閉じ込められた酸素は、オーバーラップの繊維を破損させたり、膨張して繊維同士の摩擦を引き起こし、純酸素中の繊維に発火してCOPVの故障を引き起こす可能性がある。同様の故障は2015年にCRS-7で発生し、COPVが破裂し、飛行開始から139秒後に酸素タンクが過圧となって爆発した。[11] 2025年6月18日、SpaceX社のStarshipプロトタイプS36がCOPVの故障により破壊された。[12]

エンジニアリングベースのコスト削減戦略

エンジニアリング主導のアプローチは、特に水素および圧縮天然ガス（CNG）貯蔵用途において、複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）のコスト削減と製造性向上にますます不可欠となっています。COPVのコスト上昇の大きな要因は炭素繊維の高価格であり、構造健全性を損なうことなく材料を効率的に使用することが求められます。この課題に対処するため、マルチスケール有限要素解析とシミュレーション主導の最適化を用いて積層構造を改良し、応力分布と破裂圧力要件に基づいてフープ層とヘリカル層のバランスを調整します。

高度なシミュレーションは、繊維の隙間、重なり、圧縮といった実際の製造工程における影響を再現し、機械的挙動をより正確に予測するためにも活用されています。これにより、実機試験サイクルと試作コストを大幅に削減できます。ドーム部への繊維パッチングなどの局所的な補強戦略により、タンクの有効容積を増加させながら、繊維の総量を削減することが可能です。

開発プロセスの早期段階に製造性を考慮した設計（DfM）の原則を統合することで、さらなるコスト効率が実現します。巻き取り性評価、統合品質ループ、プロセスシミュレーションは、デジタル設計と生産上の制約の整合性を確保するのに役立ちます。同時に、工程内品質監視技術により、フィラメントワインディング中の繊維配置精度と樹脂含有量に関するリアルタイムフィードバックが可能になります。これらの技術は、欠陥を最小限に抑え、手戻りを削減し、産業現場における再現性の高い高品質な製造をサポートします。[13]

参照

参考文献

  1. ^ “複合材オーバーラップ圧力容器用保護シェル”. 2021年10月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年10月20日閲覧。
  2. ^ Delay, Tom (2005年3月). 「金属ライニング複合材オーバーラップ圧力容器の製作」(PDF) (技術レポート). NASA . hdl :2060/20110014768. 2024年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2021年10月1日閲覧。
  3. ^ Lung, Bryan C. (2005). 複合材料圧力容器の構造健全性モニタリングシステム（修士論文）.サスカチュワン大学. hdl :10388/etd-04042005-133006. 2024年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2024年1月15日閲覧。
  4. ^ ab Russel, Rick; Flynn, Howard; Forth, Scott; Greene, Nathanael; Kezirian, Michael; Varanauski, Don; Leifeste, Mark; Yoder, Tommy; Woodworth, Warren (2010年5月10日). 複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）の応力破裂試験．パート2 (PDF) (技術レポート). NASA . hdl :2060/20110003996. 2021年10月31日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年5月25日閲覧。
  5. ^ ab Kezirian, Michael T.; Johnson, Kevin L.; Phoenix, Stuart L. (2011年9月27日). 複合材オーバーラップ圧力容器（COPV）：スペースシャトル計画の飛行根拠(PDF) . AIAA SPACE 2011 Conference and Exposition. Long Beach, Ca.: AIAA . hdl :2060/20110015972. 2024年3月17日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年5月24日閲覧。
  6. ^ Tam, Walter H. 「複合材オーバーラップ加圧タンクアセンブリの設計と製造」(PDF) . AIAA . 2018年5月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年5月24日閲覧– Orbital ATK経由。
  7. ^ Pat B. McLaughlan、Scott C. Forth、Lorie R. Grimes-Ledesma (2011年3月). 「複合材オーバーラップ圧力容器入門」(PDF) . NASA . 2015年4月21日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  8. ^ Vessel Testing アーカイブ 2008-09-05 at the Wayback Machine
  9. ^ Grimes-Ledesma, Lorie; Phoenix, S. Leigh; Beeson, Harold; Yoder, Tommy; Greene, Nathaniel (2017年9月17日). 炭素繊維複合材オーバーラップ圧力容器の応力破断寿命試験．ASC/ASTM 21st Annual Technical Conference of the American Society for Composite. Dearborn, Mi.: ASTM International . hdl :2014/39869. 2024年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年10月20日閲覧。
  10. ^ “SpaceX、9月のロケット爆発におけるCOPVの役割を発表”. 2017年1月2日. 2018年6月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年11月30日閲覧。
  11. ^ “CRS-7 INVESTIGATION UPDATE”. SpaceX. 2015年7月20日. 2015年7月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年6月15日閲覧。
  12. ^ “Starship Static Fire Update”. SpaceX . 2025年6月19日. 2025年6月19日閲覧。
  13. ^ 「複合材料圧力容器のコスト削減：エンジニアリングと製造」CIKONI . CIKONI GmbH . 2025年5月23日閲覧。
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