2020-11-25

振動音響などの応答を考慮した構造設計荷重を導出するための組み合わせ方法　| Lessons Learned、失敗学、事故事例

熱構造部品質保証部失敗学・事例・教訓・教育人工衛星以外

振動音響などの応答を考慮した構造設計荷重を導出するための組み合わせ方法

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振動試験より音響試験は物理的に難しい。

試験コンフィギュレーション上は、それほどと思うかもしれないが、小型衛星の場合はその限りでないかもしれないが、数メートル級の音響設備を用意するなど、難しい。

それでも、ロケットは発射時などの衝撃波が加わることは明らかで、試験の必要性を迫られる。

もしかすると、小型衛星の場合は、ランダム振動条件の方が、人工衛星の負荷が大きいこともあるので、そちらで代用しているかもしれませんね。

さて、今回は専門用語が多いため、いつもより誤訳している可能性があります。

原文やJAXAの振動試験あるいは音響試験ハンドブックを確認することをお勧めします。

概要

設計と試験において推奨される手法。

宇宙機の打上げ時の機械環境は、リフトオフ、遷音速、分離により発生する動的加速度、静的加速度、音響の負荷に耐えられるように、宇宙機及び内部機器の一次および二次構造を設計します。

特に二次構造は、遷音速時に発生するMaxQ（最大空力動圧変動）やランダム振動より、リフトオフ時の音響負荷での構造破損の可能性が高くなることがあります。

実際の手法

複数の負荷(動的加速度、静的加速度、音響)による負荷は、個別に計算できます。

次に、以下にリストされている組み合わせ方法の1つを使用して、組み合わせた負荷を導き出します。

音響的に敏感なコンポーネントの場合、直接的な音響負荷も含める必要があります。

技術的根拠：

構造に負荷を掛ける振動は、次のように分類できます。

静的加速度を含む、通常60 Hz未満（周波数はロケットによる)のイベント（リフトオフ、分離など）による振動。
機械的インターフェースを介して伝達される、通常20～2000Hz程度のランダムな振動、
ロケット打上げ時に発生する音響負荷によって引き起こされる、通常50～10,000Hzのランダムな振動。

一次構造の場合、動的加速度、静的加速度及び音響負荷が支配的ですが、後者の振動音響負荷は小さく、実際には無視されることがよくあります。

ただし二次構造の場合、音響負荷の振動の影響を大きく受けます。

ロケットにもよりますが、二次構造に対しての音響負荷は、遷音速時の動的加速度、静的加速度の負荷に匹敵するか、それよりも大きくなる可能性があります。

特に、音響的に敏感な機器（パドルなどの平面で固定箇所の少ない構造をもつ機器）には、音響環境により発生する音響励起による振動に応答し、大きな負荷を受ける可能性があります。

動的加速度と音響負荷は同等の大きさである可能性があり、リフトオフ時に両方発生します。

同時に発生しているため、それぞれの負荷に合わせて構造を設計することが難しく、複合負荷環境で評価していく必要があります。

複合環境負荷評価方法1：ベースドライブランダムとの結合過渡解析

ロケットによりますが、結合箇所との動的解析により最大60 Hzの構造荷重が予測されます。

ほとんどの場合、周波数のカットオフによって、60Hzより低くなります（STSリフトオフの場合は35 Hz）。

このような強制振動の解析は、ロケットの飛行データに基づいて調整され、負荷が実際の打上げ負荷（解析の周波数範囲内の動的および機械的に伝達されるランダム振動を含む）を確実に包括するように設定されます。

カットオフ周波数より高い周波数帯で連成過渡解析を行う場合、機械的に伝達されるランダム振動荷重は、ペイロード構造のベースドライブのランダム解析を使用して計算できます。

また基本振動は、各方向の加速度のパワースペクトル密度で算出できます。

可能であれば、飛行全体のランダム振動の最大値ではなく、ピーク時の動的加速度の時刻歴応答による入力加速度を使用して解析を実行する必要があります。

異なる方向の加速度は無相関と見なす必要があり、同時に適用することも、一度に1つの方向に適用することもできます。

ランダム解析では、一般的にピーク負荷予測としてRMSの3倍（3シグマ）を使用します。

動的解析とベースドライブのランダム解析を組み合わせたピーク負荷は、二乗和平方根（RSS）によって組み合わせることができます。

ペイロード構造への直接的な音響負荷が無視できない場合は、RSSを使用して上記の負荷と組み合わせることができます。

音響負荷を予測する方法には、低周波数の予測に限定される有限要素ベースのアプローチと、高周波数の予測に限定される統計的エネルギー法が含まれます。

複合環境負荷評価方法2：typical Mass Acceleration Curve

typical Mass Acceleration Curve（MAC）は、場所、方向、または周波数に関係なく、特定の質量のすべてのコンポーネントの上限加速度レベルです。

適用範囲は、最大約100 Hzの周波数で、最大500kgの質量に制限されます。

この曲線は、分析データと飛行データに基づいて算出でき、過渡振動と機械的に伝達されるランダム振動の両方の影響が含まれます。

つまり、曲線によって予測される荷重は、過渡振動とランダム振動の組み合わせた負荷となります。

直接的な音響負荷が無視できない場合は、RSSアプローチを使用してMAC負荷と組み合わせることができます。

複合環境負荷評価方法3：モーダルMACを使用した過渡解析の組み合わせ

ベースドライブのランダム解析は、インピーダンスの影響を考慮していないため、低めな負荷である可能性があると考えられられます。

また、有効質量が大きい振動モードで非常に影響が大きくなる可能性があります。

構造の各モードには、その有効質量に基づいた加速レベルを割り当てることができます。

割り当てる加速度レベルは、インピーダンスが考慮に入っているMACによる曲線から取得できます。

振動モードを考慮したモーダルMACは質量に適用されるMACよりもレベルが低くなります。

次に、各振動モードに対応する物理的負荷は、この加速度レベルに従い。振動モードの形状を拡縮、調整することによって導出されます。

組み合わされた負荷は、カットオフ周波数を超える過渡負荷のRSSとして取得されます。

この手法は、ベースドライブのランダム解析による手法が、モーダルMACに拡縮、調整されたモーダル負荷のRSSに置き換えられていることを除いて、方法1と同じであることがわかります。

前の2つの方法と同様に、直接音響荷重が無視できない場合は、適切な音響解析方法で計算し、RSSアプローチを使用して過渡荷重およびランダム荷重と組み合わせる必要があります。

Lessons Learned

非実践の場合、特に二次構造において、打ち上げ中の構造破損の可能性が高くなります。

Lessons Learnedを受けての推奨事項としては次の通りです。

リフトオフ時の静的加速度、動的加速度、および振動音響の荷重負荷に対応するように、一次および二次構造コンポーネントを設計します。

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最後に

現在では音響負荷をシミュレーションソフトに掛けることで解析することが可能です。

一方で音響の解析は難しいため、構造を模擬したモデル（SM）を利用して音響試験をすることが多いです。

音響の応答を解析や設計可能なように、荷重を組み合わせて

ただ、Base drive randomが日本語で、何を示すのか読み取れなかった。

Lessons Learnedとは

Lessons Learnedとは、組織(に関わらないですが)において業務を遂行した上で得られた教訓(学んだ教訓)のことを指しています。

得られた教訓というと、失敗や不具合だけを想像しがちではありますが、成功したことについても教訓としてあげられます。

Lessons Learnedは同じ失敗を繰り返さないようにすることと、計画が順調に進んだ成功要因を共有することの2つがあります。

NASAで公開されているNASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）から、宇宙業界に限らず、工業製品でも適用できそうなLessons Learnedを集めています。

参考サイト

NASA Lessons Learned

https://www.nasa.gov/offices/oce/functions/lessons/index.html

NASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）

https://llis.nasa.gov/

Combination Methods for Deriving Structural Design Loads Considering Vibro-Acoustic, etc., Responses

https://llis.nasa.gov/lesson/652

宇宙機の環境試験について

https://kyutech-laseine.net/FFSEEK/20080213_9thSEEK_saitou.pdf

Vibration Engineering　振動⼯学−線形振動の基礎−

http://forth.aero.cst.nihon-u.ac.jp/lecture/vibration_engineering_2019.pdf

2020-11-23

見て学ぶ！振動試験の動画一覧【宇宙機、人工衛星と振動試験】

人工衛星部ロケット・ミサイル部人工衛星以外品質保証部熱構造部

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以前、展開機構のYOUTUBEをまとめていたのですが、今回は振動試験物の動画を集めてみました。

mechanical-systems-sharing-ph.hatenablog.com

振動試験をはじめて実施することになった方へ何かしら参考になればと思います。

動画紹介なので、ちょっと重い。

人工衛星の試験
小型衛星の振動試験
輸送梱包試験の様子
飛行機の振動試験
自動車振動試験
振動試験実験例
振動試験治具一例
ボルトの緩み試験
振動試験実例
地震再現振動試験
色々な振動の世界

NASA施設内でのリチウムイオン電池の火災は数日間施設が停止する惨事となった　| Lessons Learned、失敗学、事故事例

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リチウムイオン電池の火災

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リチウムイオン電池の爆発事故は、世界各地で発生していますが、宇宙船のエネルギー貯蔵システムとしてリチウムイオン電池を使用しているNASAでも発生しています。

今回は地上設備で発生したリチウムイオン電池の火災についてまとめたLessons Learnedを紹介します。

ついでに、YOUTUBEに発火の様子と、危険行動も記載されていたので載せておきます。

最初の破裂音注意ですね。

www.youtube.com

概要

NASAのジェット推進研究所の地下室で特性試験を行っているリチウムイオン電池は、過熱、発火、爆発し、有毒ガスがビルの上層階2階にまで吹き込み、数日間の避難を余儀なくされました。

電池の危険性評価を実施し、研究としての電池試験と、その保管が安全基準に準拠していることを確認した上で、排気システムが建物全体に煙を拡散する可能性を再評価し、宇宙空間で使用される電池の試験構成の改善に影響を与えました。

発生経緯

2009年10月20日のリチウムイオン（Li-ion）電池の試験中に、電池が過熱し、発火し、NASA 研究所（カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所（JPL）の高層オフィス）の建物に取り付けられたバンカー内の密閉されたスチールロッカー内で爆発しました。

バンカーは、このような電池の火災の影響を抑えることを目的として特別に設計されていました。

電池試験装置に隣接するロッカーは、初期火災により加熱され、一部が燃え尽きました。

試験に供していた電池は、定格30V、容量15Ahのリチウムイオン電池で、特定のプロジェクトのための試験体ではありませんでした。

試験用電池は、一般的なロッカーと同様に、2枚の金属板で構成された板金ロッカーの中に保管されていました。

ロッカーは、施設の床に6個セットで配置され、配線はロッカーの背面に開けられた開口部を通って配線されました。

この出来事は、電池が同じ試験コンフィギュレーションで、18か月間試験に供した後に火災が発生しました。

電池の火災が発生すると、煙探知器が火災警報器を作動しました。建物にいた人は、怪我をすることなく、建物から避難しました。

JPLの消防施設では、リチウムイオン電池の火災に適した消火器を用いて対応したため、2次的な被害は発生しませんでした。

電池用バンカーは、建物の換気用空調口の近くにあったため、リチウムイオン電池の燃焼による煙と有毒ガスが建物の残りの部分に排出されました。

大気質サンプルが分析され、有毒ガスなどにより建物全体で修復されるまで、建物全体に数日間に入ることもできませんでした。

発生原因

バッテリー火災は、電池の充放電を制御する試験装置と接続されている端子電圧の誤った測定によって引き起こされました。

端子の接続を通して、80個のセル内の温度が上がり、電池の内圧が上昇し、爆発と火災につながるまで、試験用電池に充電され続けられました。

JPLの故障調査によると、根本原因として試験担当者の不十分な知識と経験不足に起因すると考えました。

原因は、欠陥のある地上試験装置の使用と、電池への熱保護が不十分であることでした。

隣接する施設の汚染の原因は、施設の換気および吸気システムの設計に起因するものでした。