技術紹介

宇宙用固体ロケット複合材モータケースの構造健全性評価を対象にした多点 FBG センサによるひずみとAE 同時計測システムの開発について
中島富男 *1

佐Nakajima Tomio

佐藤明良

Sato Akiyoshi

一 *2

Sato Eiichi
*4

川合伸明

津田浩 *3Tsuda Hiroshi*5

Kawai Nobuaki

FBG センサを宇宙用固体ロケット構造、特にロケットの燃料容器と圧力容器の二つの役割を担う複合材モータケースに適用するための共同研究を独立行政法人宇宙航空研究開発機構（JAXA）宇宙科学研究所、独立行政法人産業技術総合研究所および株式会社 IHI エアロスペースとともに平成 20 年 10 月から平成 23年 3 月まで行った。その成果として多点化した FBG センサを用いてひずみとアコースティックエミッションを同時計測可能なシステムを製作し評価した。本稿はその成果の一部を紹介する。
キーワード：ひずみ計測、AE 計測、FBG センサ、複合材料、固体ロケットモータチャンバ、ファイバリングレーザ

ロンロケットを開発している（図 1）。イプシロン

1. 緒言
宇宙用ロケット打上げの信頼性は設計、材料、部品、製造、輸送および組立等の各工程におけるさまざまな品質保証手順により確保されている。これらの工程の品質保証手順は、開発ステージにおける設計と各種開発試験によって確立されたものである。宇宙用ロケットの開発試験は十分な信頼性と実績を有する計測技術により実施されている。
一 方、 独 立 行 政 法 人 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構（JAXA）では、打上げシステムの知能化等により、

図1

高い信頼性を維持しながらも、打上げ前工程の簡イプシロンロケットイメージ図（JAXA WEB Site より：http://www.jaxa.jp/projects/rockets/epsilon/index_j.html）

素化と打上げシステムの革新性を目指したイプシ*1：研究開発センター 研究開発グループ 課長*2：独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 教授 工学博士
*3：独立行政法人 産業技術総合研究所 計測フロンティア部門 構造体診断技術研究グループ グループ長 工学博士
*4：株式会社 IHI エアロスペース 技師長*5：独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 助教 博士（工学）—IIC_REVIEW_49.indb

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ロケットは 3 段式の全段固体ロケットである。こ2. FBG センサについてのような背景から、イプシロンロケットの開発および運用においても、近年著しく進歩した計測・FBG センサは光ファイバセンサの一つである。

検査技術を導入する機会となっている。

FBG は光ファイバコアに周期的な屈折率変化を人

著者らは、イプシロンロケットの複合材モータ工的に構成させたものである。FBG の模式図を図 2 に示す。

ケースに光ファイバセンサによる計測技術を導入することを試みることとした。具体的には、光ファFBG に式（1）の関係で示される波長を含む広イバセンサとして、静ひずみおよび動ひずみ計測

帯域光を照射すると、式（1）の波長の狭帯域光に対応できるファイバ・ブラッグ・グレーティンを強く反射する性質がある。この波長はブラッグ（Fiber Bragg Grating：FBG）センサを採用した。

グ波長（Bragg Wavelength）l B と呼ばれる。ne は一般に FBG センサはひずみセンサとして使用さFBG の有効屈折率、L は格子間隔を表す。

（1）

れる 。一方、FBG センサを AE 信号を含む超音（1）

l B = 2neL（2）波センサとする試みも報告されている 。さらに、ブラッグ波長 l B は有効屈折率 ne と格子間隔 L

Tsuda らは一つの FBG センサにひずみセンサと超に伴い変化する。この性質をセンサとして利用し、音波センサの両方の役割を持たせることが可能でひずみセンサや温度センサとして利用されてい（3）る。図 3 にひずみとブラッグ波長の関係の例を示あると報告していた 。

す。また、図 4 に温度とブラッグ波長の関係の例

著者らは、Tsuda らの報告を発展させ、一つのFBG センサによりひずみと AE を同時計測可能を示す。

な計測手法を宇宙用固体ロケットの複合材モータケースに適用させるための共同研究を行った。研（4）（7）-

究成果の一部については既に報告している。

本稿では、研究の最終成果である、『多点の FBG
センサにより、1％までの大ひずみ変化を計測しながら AE も同時に計測できるシステム』の開発ついて報告する。
現在、イプシロンロケットの開発試験が進行しており、著者らは、本稿において紹介する計測シ

図3

ステムのイプシロンロケット開発試験への適用をひずみとブラッグ波長の関係試みている。

図2

FBG 原理模式図—

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3. 研究体制
研究は FBG センサ計測技術に強みを持つ独立行政法人産業技術総合研究所および IIC と宇宙研究開発を担う JAXA 宇宙科学研究所および株式会社 IHI エアロスペースの共同研究として行った。
研究体制と分担を図 6 に示す。すなわち、複合材モータケースのひずみ計測や AE 計測に必要な条
図4

件は JAXA 宇宙科学研究所と（株）IHI エアロスペー

温度とブラッグ波長の関係

スが提示した。（独）産業技術総合研究所と IIC は

光ファイバは軽量かつ高剛性であり、FBG を適切と思われる計測システムの仕様を提示し、条ひずみセンサとして利用した場合には、静ひずみ件に合致しているかについての協議を行い計測シから高速なひずみ変化を計測することが可能であステムの概念設計を行った。決定した仕様を基に、る。著者は 100kHz までの動ひずみを計測可能なシステムの詳細設計と製作は主に IIC が担当した。

（8）

ことを報告している 。FBG センサの高速な応答製作したシステムが設計要求を満足しているか性を利用して、超音波センサとする多様な手法がの検証は四者共同で行った。供試体や試験設備は（2）

提案されている 。著者らは Tsuda が提案した光JAXA 宇宙科学研究所と（株）IHI エアロスペー（9）

ファイバリングレーザーを用いる手法 を適用すスが提供した。一方、システムの操作やデータ解ることにより、ひずみと超音波の一種である AE

析は（独）産業技術総合研究所と IIC が担当した。

信号を同時に計測可能なことを確認し、その成得られたデータは四者共同で評価を行いながら研（10）果は IIC REVIEW 46 号において報告している。

究を進めた。

Tsuda の手法の模式図を図 5 に示す。

図5

本研究においては、各者が有する技術と資源を光ファイバリングレーザーを利用した FBG センサ用計測システムブロック

図6

共同研究体制と役割分担—

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提供し合いながら、新たな知見についての共有と時監視できると期待された。

意見の交換を頻繁に行った。その結果、研究を円

このような背景を基に、本研究では『一つの滑に進めることができた。

FBG センサの信号からひずみと AE 信号の両方を同時に取得し、かつ、FBG センサの多点化も可能

4. 研究目標についてとすること』を目標とした。

FBG センサを利用した計測はさまざまな構造体

FBG センサによるひずみと AE の同時計測の概を対象に行われている。その多くはひずみ計測で念を FBG センサが一つの場合に図 7 に示す。図 7ある。また、超音波の受信センサとして利用するにおいて FBG センサからの信号を光カプラでひ（2）方法も提案されている 。しかし、従来技術では、

ずみ計測系と AE 計測系に分岐する。ひずみ計測

一つの FBG センサによりひずみと AE を同時に計系では比較的低周波数の大きなブラッグ波長変化測し、かつ、FBG センサの特長である一本の光ファを計測する。一方、AE 計測系では比較的高周波イバ上に複数の FBG 部を配置する多点化は光学数のブラッグ波長変化に伴う光強度変化を計測す系の仕様から実現されていなかった。

る。このようにすることにより、一つの FBG セ

従来のひずみ計測技術では FBG センサの多点ンサでひずみと AE の同時計測が可能となる。前のブラッグ波長識別のために光源もしくは分光器

述しているように、この概念は実験により検証での掃引が行われていた。掃引方式の光学系では、

きている

（4）
（7）
-。

全ての FBG センサに常時光が照射されないため、信号の発生が予測できない AE 計測に適用できなかった。
一方、AE 計測においては、FBG センサの反射光スペクトラムの光強度が半分になる波長のレーザー光を FBG に照射し、AE 信号による微小なブラッグ波長変化を光強度変化として計測する手法（11）が知られている。しかし、この手法は、FBG セ

図7

ンサにひずみが負荷されるとブラッグ波長が変化

FBG センサによるひずみと AE 同時計測
概念の模式図してしまい、ひずみを動的に計測しながら AE を計測することが不可能であった。
著者らは、従来技術の問題点は光源もしくは分光器の掃引にあると考えた。そのため、産業技術総合研究所と IIC が採用している Davis と Kerseyが提案した誘電体薄膜光学フィルタを用いるひず
（12）

み計測手法

は、光源と分光器の両方に掃引部が無く、ひずみと AE の同時計測を可能にすると考えられた。一つの FBG センサによりひずみと AEの同時多点計測が可能となれば、複合材モータケースの受けるさまざまな構造的な環境負荷を常—IIC_REVIEW_49.indb

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（13）
（14）

5. 開発した FBG センサ計測システム

開発した計測システムのブロック図を図 8 に示す。また、外観を図 9 に示す。本システムは、光源として FBG センサ用として一般的な広帯域光源とエルビウム添加ファイバアンプ（EDFA）を用いた光ファイバリングレーザーを切り替えて使用可能である。それぞれの光源を使用したときの特徴を表 1 に示す。ひずみの計測レンジは複合材
モータケース完成検査時の耐圧試験時に発生するひずみを考慮して 1％までのひずみ変化に対応している。
図9

図8

開発した FBG センサ用計測システムブロック図—

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開発した FBG センサ用計測システム外観

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表1

開発したシステムの代表仕様（4） 中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、荒6. 結言

川敬弘、湊将志、倉林秀幸、塩野秀幸、中村

先進的な打上げシステムを採用するイプシロン

英之、“固体ロケットモータケースの構造ヘロケットの開発から運用に対応して、先進的な計ルスモニタリングへの FBG センサの適用”、測技術の採用を検討し、多点化した FBG センサに

日本非破壊検査協会 平成 22 年度春季講演大よるひずみと AE を同時に計測可能なシステムを開会講演概要集（2010）、pp.77-78

発した。特に、固体ロケットの主構造である複合（5） 中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、荒材モータケースへの適用を対象とした。本システ

川敬弘、湊将志、倉林秀幸、塩野秀幸、“固体ムは、現在進行しているイプシロンロケットの開ロケットモータケースヘルスモニタリングへの発試験に適用されている。また、開発した計測シ

FBG センサの適用”、日本機械学会 2010 年度

ステムは、複合材料構造物に限らず、金属構造物

年次大会講演論文集（6）（2010）、pp.313-314（15）にも適用可能であることも既に報告している。

（6） T. Nakajima、E. Sato、H. Tsuda、A. Sato、N. Kawai、

なお、本稿の研究は JAXA 宇宙オープンラボ研

H. Kawasaki、“ Development of simultaneous

究テーマ『大型構造物の構造ヘルスモニタリング

measurement system for strain and acoustic emissionの研究開発』として平成 20 年度から平成 22 年度

using a fiber Bragg grating sensor and a fiber ringに実施された研究成果の一部である。

laser”、Proceeding of International Workshop on
Structural Health Monitoring 2011（2011）、pp.463-470

参考文献（7） 中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川（1） 中 島 富 男、 荒 川 敬 弘、“FBG セ ン サ を 用 い合伸明、“光ファイバリングレーザーを用いた 高 速 動 ひ ず み 計 測 技 術 に つ い て ”、IICた FBG センサ用ひずみとアコースティック

REVIEW No.38（2007）、pp.37-44

エミッションの同時計測システムの開発”、（2） G. Wild、S. Hinckley、“Acousto-Ultrasonic

日本非破壊検査協会平成 23 年度秋季講演大会講演概要集（2011）、pp.51-52

Optical Fiber Sensors: Overview and State-of-theArt”、IEEE SENSOR JOUNAL、Vol.8、No.7（8） 中島富男、“ホプキンソン棒を用いたファイ（2008）、pp.1184-1193

バ・ブラッグ・グレーティング（FBG）セン“Strain and damage monitoring（3） H. Tsuda、J. Lee、サの周波数特性の評価”、IIC REVIEW No.44（2010）、pp.18-22

of CFRP in impact loading using a fiber Bragg
grating sensor system”、Composite Science andTechnology、Vol.67（2007）、pp.1353-1361—

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（9） H. Tsuda、“Fiber Bragg grating vibration-（13）中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川sensing system insensitive to Bragg wavelength

合伸明、“多重化した FBG センサによるひずand employing fiber ring laser”、Optics Letters、みと AE 同時計測システムの開発”、日本機

Vol.35（2010）、pp.2349-2351

械学会論文集 A 編、Vol.78、No.789（2012）、（10）中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川pp.147-160

合伸明、川﨑拓、“光ファイバリングレーザー

佐藤英一、中島富男、佐藤明良、“光ファ（14）津田浩、

を 用 い た FBG セ ン サ 用 ひ ず み と ア コ ー ス

イバ広帯域振動検出システムの開発 —FBG セ

ティックエミッション同時計測システムの開ンサを用いたひずみ・AE 同時計測技術—”、発”、IIC REVIEW No.46（2011）、pp.10-16

Synthesiology Vol.6 No.1（2013）、pp.45-54（11）N. Takanishi、K. Yoshimura、S. Takahashi、（15）中島富男、高田仁志、佐藤英一、津田浩、佐K. Imamura、“Development of an optical

藤明良、“FBG センサによる液体水素中でのf iber hydrophone with f iber Bragg grating”、機構品の動ひずみ計測”、IIC REVIEW No.48

Ultrasonics、Vol.38（2000）、pp.581-585（2012）、pp.20-27（12）M.A. Davis、A.D. Kersey、“All-f ibre Bragg
grating strain-sensor demodulation techniqueusing a wavelength division coupler”、Electronics
Letters、Vol.30、No.1（1994）、pp.75-77

研究開発センター
研究開発グループ課長

独立行政法人宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所教授 工学博士

中島 富男

佐TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 050-3362-2469FAX. 042-759-8461

独立行政法人産業技術総合研究所
計測フロンティア部門
構造体診断技術研究グループ
グループ長 工学博士

株式会社 IHI エアロスペース
技師長

TEL. 029-861-9284
FAX. 029-861-5882

TEL. 0274-62-7646
FAX. 0274-62-7738

津田一

佐藤 明良浩

独立行政法人宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所
助教 博士（工学）川合 伸明
TEL. 050-3362-7539
FAX. 042-759-8461—

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