技術紹介

宇宙ステーション搭載機器の構造解析
福山俊一 *1

Fukuyama Shunichi

国際宇宙ステーション（ISS）に搭載される機器の開発（設計、製造）をしているメーカは、開発製品に対し、構造破壊に対する耐性を有していることを検証する必要がある。当社では、宇宙ステーション搭載機器の構造要求に対して、各種構造解析技術を用いて検証を実施している。
本稿は、宇宙ステーション搭載機器の構造解析手法について紹介する。
キーワード：宇宙ステーション、ISS、構造解析、FEM

し、負荷荷重を算出する。

1. はじめに② モデル化

国際宇宙ステーション（以下、ISS という）に搭対象となる機器の構造数学モデルを構築す載される機器はさまざまな環境にさらされ、打上る。

げ時、軌道上など（詳細は 2 章に示す）で、加重負③ 剛性・強度の計算・評価荷を受ける。

構造数学モデルを用いて、固有振動数、およこれらのすべての構造的な負荷に対し、剛性・び応力を計算し、剛性・強度を評価する。

強度的に問題ないことを検証する必要がある。

以下に上記フローに従った宇宙ステーション搭

宇宙ステーション搭載機器の場合は、基本的に載機器の構造解析の流れを紹介する。

修理ができないため、構造部品が曲がったり、破2. 荷重条件断したりすることは、すなわちミッションの実行が不可能となる可能性が高く、場合によっては荷重条件は、当該機器に負荷されると想定されISS やクルーなどすべてを失うケースもあり得る。

るあらゆる荷重を設定する。

検証には解析検証と試験検証があるが、本稿では解析検証について述べる。近年は、解析の精度

2.1 打上荷重が高まり、コスト、スケジュールの観点で試験検（1）準静的加速度 QS証から解析検証に置き換わる開発も多く、構造解重力加速度やロケットが打ち上げられる際に初析の重要性は増している。

速ゼロから所定の速度に達するまでの加速度。

構造解析フローを以下に示す。

機器ごとに打ち上げられる宇宙機によって規定① 荷重条件の確認・算出される。

対象となる機器に要求される荷重条件を確認*1：制御システム事業部

防衛・宇宙システム部

課長

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（2）ランダム振動加速度 R

1 自由度系と仮定できる場合。

打上げ時のエンジンなどから発生する音響、おRVLF = 3 ×

よび振動が、ロケット構造やフェアリング壁を伝

π× Q × f × PSD
2RVLF ：等価静加速度

わって、機器の取付面まで伝達される振動加速度。
機器により取付位置や取付方法が異なるため、

Q：応答倍率それぞれの条件が規定される。ランダム振動加速

f：固有振動数度の要求例を図 1 に示す。

PSD ：パワースペクトル密度
方法 2：Mass Participation 法

構造解析ではランダム振動加速度を、等価静加固有振動モードの有効質量比が分散して、速度に置き換えて評価する。

多自由度系と考えられる場合。

置き換えには、機器の固有振動モードにより、（1）以下の 2 種類の方法 を用いる。

RVLFi = 3 ×

参考に固有振動モードの例を図 2 に示す。

π× Q × f i × PSDi
2
（ f i < 2000 の場合）

方法 1：Miles の式
固有振動モードの有効質量比が集中して、

図1

図2

RVLFi = 3 × Grms

ランダム振動条件

固有振動モード図（1 次）—46—（ f i > 2000 の場合）

（2）船外クルー荷重

RVLFi-MW = RVLFi × EMRiRVLF =n∑ ( RVLFi− MW)

ばくろ

ISS の曝露環境（船外）で使用する機器などにお2いて、船外活動するクルーにより操作される荷重

i= 1

RVLF ：等価静加速度

や、誤ってクルーが衝突した際などに負荷される

Q：応答倍率荷重。

f：固有振動数（3）軌道上加速度

PSD ：パワースペクトル密度

ISS の軌道変更する際に、リブースト（軌道高度Grms ：オーバーオール実効値上昇）などにより ISS 全体に負荷される加速度。

EMR ：有効質量比（4）ロボットアーム操作荷重

i：固有振動モード

曝露環境で ISS のロボットアームで運搬される（3）正弦波振動加速度 S

機器などにおいて、ロボットアームから負荷されロケットの推力変動などによる低周波振動加速度。

る荷重。

機器の 1 次固有振動数が 100 [Hz] を超える場合（5）ロボットアーム衝突荷重などは、影響が小さいため無視できる。

曝露環境で ISS のロボットアームで運搬される（4）複合荷重機器などにおいて、ロボットアームが故障して暴（2）（1）～（3）で算出された各荷重を表 1 に示す式走などが発生した際に、ロボットアームがぶつを用い複合荷重として求め、同時負荷して強度評かったり、運搬されている最中に別の場所にぶつ価を実施する。

かったりした時に受ける荷重。

2.2 軌道上荷重

2.3 その他の荷重

軌道上荷重とは、ISS 到着後に機器に負荷され地上試験で負荷される荷重や、トラック／飛行る荷重である。

機などで輸送される際に負荷される荷重、クレーつンなどで吊り上げられる際に負荷される荷重など機器ごとにさまざまな荷重が想定され、各機器も考慮し、荷重条件を設定する。の使用状況により規定される。
代表的な軌道上荷重を紹介する。

3. 構造解析（1）船内クルー荷重

構造解析は、FEM（Finite Element Method：有限ISS の与圧された船内空間で使用する機器など要素法）を用いる。

において、船内で活動するクルーにより操作されFEM とは、連続体を要素で分割し、節点同士のる荷重や誤ってクルーが衝突した際などに負荷さ関係を行列（マトリクス）化して解く手法である。

れる荷重。
表1Load Set

X Axis1± QS x ± S x + R x

23複合荷重Y AxisZ Axis±QSy±QSz±QSx± QS y ± S y2 + R y2±QSz±QSx±QSy± QS z ± S z 2 + R z 222—47—

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3.1 構造数学モデル

剛性については、固有値解析により算出された

一般的には 3D CAD モデルなどから、プリポス固有振動数が要求より高いことに基づき評価する。

トソフトを使用してメッシュ作成する。

強度については、静解析により算出された応力要素は梁要素、板要素、ソリッド要素などさまざを評価する。ほとんどの場合、von-Mises 応力で評まな種類があり、使用するソルバー（解析ソフト）価する。
応力コンタ図の例を図 4 に示す。

や解析する機器の形状などにより使い分けている。
構造数学モデルの例を図 3 に示す。

FEM で算出された応力 × 安全係数と、材料の許容応力を比較して、MS を算出する。

3.2 剛性・強度評価

MS とは、Margin of Safety の略で安全余裕であ（3）構造数学モデルに、2 章で設定した荷重条件をる。以下の式 により、MS が 0 以上となれば、強度的に問題ない評価となる。

負荷し、計算を行う。

すべての構造部品について、MS が 0 以上とな宇宙ステーション搭載機器の静解析においてることを確認する。

は、ソルバーは NASTRAN が一般的である。

図3

構造数学モデル

図4

応力コンタ図—48—

MS y =剛性を満足するだけでなく、それらを維持しつFty−1s × SFy

つ、より軽量な機器とすることも構造設計としては重要である。

MSy ：降伏安全余裕

今後も構造設計・解析に関する最新技術を幅広

Fty ：材料の降伏応力sく利用して、日本の宇宙開発に貢献してゆく。

：応力（計算結果）

SFy ：降伏安全係数

参考文献

Ftu
MSu =−1s × SFu（1 ） S S P 5 2 0 0 5 ： P a y l o a d F l i g h t E q u i p m e n t

MSu ：終極安全余裕

Requirements and Guidelines for Safety–Critical

Ftu ：材料の破壊応力

Structures, http://everyspec.com/NASA/NASA-s：応力（計算結果）

JSC/NASA-SSP-PUBS/SSP_52005C_3094/（2） SSP30559：Structural Design and Verification

SFu ：終極安全係数
ファスナ（ボルトなど）については、プリロードRequirements -International Space Station, http://（予張力）、外力、熱変形荷重などを考慮し、強度

everyspec.com/NASA/NASA-JSC/NASA-SSP-が問題ないことを確認する。

PUBS/SSP_30559C_28730/（3） S S P 5 2 0 0 5 ： P a y l o a d F l i g h t E q u i p m e n t

4. まとめRequirements and Guidelines for Safety–Critical

宇宙ステーション搭載機器における構造解析にStructures, http://everyspec.com/NASA/NASA-ついての紹介を行った。

JSC/NASA-SSP-PUBS/SSP_52005C_3094/

宇宙ステーション搭載機器においては、強度・制御システム事業部
防衛・宇宙システム部課長

福山 俊一
TEL. 042-523-8319
FAX. 042-523-8320—49—

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