超小型ロケット開発を前進させる構造設計・構造力学の取り組み

超小型ロケット

近年、大学や企業が超小型人工衛星の開発を盛んに行っています。人工衛星を宇宙に打ち上げるにはロケットが必要ですが、現状では大型ロケットを打ち上げる際に余ったスペースを「間借り」するケースが一般的です。ただし、それでは大型ロケットの打ち上げスケジュールに合わせる必要があり、打ち上げ回数も制限されます。そこで、超小型衛星専用の超小型ロケットの開発が進んでいます。「超小型」だけに、既存の材料を使いながらいかにコンパクトかつ低コストでつくれるかが問われるため、構造設計や構造力学といった軽量なモノづくりをするために発展してきた学問が役立てられています。

「座屈」の理論と実際

構造の軽量化を図るには、薄く作ることが求められます。薄く作られた構造物が圧縮の力を受けた場合、ある限界を超えると大きく変形し荷重が支えられなくなります。このような現象を「座屈」といいます。ロケットは円筒状で、軽量化のため薄く作られているため、打ち上げ時の圧縮の力や空気から受ける力などにより座屈が起こりやすくなります。円筒の座屈は60年以上研究されていますが、これまでわかっている理論に対して実験値が半分程度、つまり実際につくるには解明されていないことが多いのです。同様に、ロケットの部材をボルトやナットで接合する「継手」部分の強度も、どのような設計がよいのかという理論が確立されておらず、接着強度の理論的な予測が難しいのが現状です。

統計で理論を補う

このような実際と理論の差を埋める研究が行われていますが、完全な理論ができあがるまで、超小型ロケットの開発がストップする訳ではありません。例えばロケットの材料や構造であれば、多くの材料や構造を一つひとつ試験し得られたデータをもとに理論との差を比較検討し設計手法を確立していきます。非常に地道で泥臭い取り組みですが、まだわかっていない理論を過去のデータの統計で補いながら、モノづくりを前進させることも、構造設計や材料力学研究の一つの側面であるといえるでしょう。

参考資料

航空機・宇宙機の軽量化・高信頼性化に関する研究

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先生情報 / 大学情報

神奈川大学工学部機械工学科教授髙野敦先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

構造力学、材料力学

先生が目指すSDGs

メッセージ

私は構造設計や材料力学を専門としており、超小型のロケットや人工衛星などの研究開発に携わっています。所属している神奈川大学では、研究室や宇宙ロケット部の学生たちと超小型のロケットの開発にも取り組んでいます。
ロケットの打ち上げ実験にも力を入れており、毎年到達高度を更新してきました。2018年には国内ハイブリッドロケット団体としては2位に入り、2022年には高度100kmを達成することを目標にしています。あなたも興味があるなら、ぜひ私たちとともにロケットづくりに取り組みましょう！

先生への質問

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神奈川大学に関心を持ったあなたは

1928年創立以来、真の実学をめざし、自ら成長できる人材を育成してきました。近年では2021年、グローバル系3学部が集うみなとみらいキャンパスが誕生。2022年、「建築学部」を開設、2023年には理工学部を改組し「化学生命、情報学部」を開設。文理11学部すべてを横浜エリアに集結させ、世界レベルをめざす総合大学として、新たな一歩を踏み出しました。
また返還不要な奨学金制度も充実。12月下旬に全国22会場で実施の給費生試験で合格、入学すると、4年間で最大880万円の奨学金が給付されます。