2009/11/12

Introduction• シリカエアロジェルを用いた塵の捕獲
STARDUST計画 ・・・ Wild2彗星塵の作った衝突トラック

高速度カメラを用いた超低密度物質へのプロジェクタイル貫入過程の観察

Hörz et al., 2006

○ 新居見 励 （阪大・理）
門野 敏彦 （阪大・ILE）
土`山 明、飯田 洋祐 （阪大・理）中村 昭子 （神大・自然）
荒川 政彦、保井 みなみ、土肥 弘嗣 （名大・環境）

STARDUST aerogel: 5→50 mg/cc

形状が、突入物質の性質を反映している
衝突速度= 6.1 km/s
3.7mm

8.5 mm

3.8 mm

8.9 mm

11.7 mm

4.7 mm↑ トラック全長

衝突トラック形成のメカニズムはまだ理解されていない→ まず、衝突トラックの深さ方向に着目

http://www.tonyboon.co.uk/aerogel/pages/aerogelpic9.htm

初速度～4 km/sでの実験（名古屋大学）

Dominguez et al.,2004•エアロジェルに貫入したプロジェクタイルに対する運動方程式
mHigh Speed
Camera →dv
C  d  t v 2  Pc r 2dt
 2Hydrodynamic Force

Pc=117 kPa
for 0.06 g/cc aerogel

Crushing Force※衝突トラック入口付近のトラック形成モデルを仮定し、Maximum Holeの実験値から推定

Cd=1と仮定
1

名古屋大学 二段式ガス銃←実験データを上手く説明できていない

実験条件
Projectile

Initial Velocity(km/s)⊿t(micro sec)

Al2O3球+Nylon

4.27

2

Al2O3球+Nylon

4.02

2

SUS球 + Nylon

3.20

1

SUS球 + Nylon

4.06

2

Ti 球+ Nylon

3.83

2

Glass Bead球 + Nylon

3.95

20.5

LO/LT高速度カメラでトラック形成過程を撮影することにより、プロジェクタイルに働く抵抗を求める

LO：実験値LT ：理論値

1mm
Projectile

ターゲット：シリカエアロジェル 0.06 g/cc
TargetImpact Velocity (km/s)

初速度～4 km/sでの実験（名古屋大学）

初速度～200 m/sでの実験（神戸大学）

Time Dependence of Penetration Depth

実験結果 SUS球(d = 1.2mm) v0 = 4.06 km/s
Penetration Depth ( cm )

2μs

Al203
Ti
Glass Beadsmall Al2O3
SUS
SUS2

3m

2

Cdv
  d  t v 2r 2dt2

 dv2  v  dt
1z (t ) ln v0 t  t 0   11

神戸大学 小型ガス銃

00m

Cdv
  d  t v 2r 2dt
2



実験条件

41cmr 

3C d  t
8 p

10

15t-t0 ( μsec )200.01dv
 v 2dt

C d  t r 2 3C d  t 1
2m
8 p r

50.008rα0.006r 0.004

3C d  t
8 p0.002

Cd=1.1±0.1
000.005

0.01

0.015

0.02

密度比 ρt/ρp0.025

0.03

島津高速度ビデオカメラ
撮影時間間隔：8 μs

Projectile

Initial Velocity (m/s)

Soda Lime Glass
Soda Lime Glass
Al2O3
Al2O3
Al2O3
SUSSUSSUSAlAl

252.7
251.2
234.4
268.2234.4
176.3
174.9
175.6
232.5245.6

プロジェクタイルサイズ：d = 3.2 mm
エアロジェル密度：0.06 g/cc

12009/11/12

Projectile: SUS (d = 3.2 mm)
Target: silica aerogel (0.06 g/cc)
Velocity: 175.6 m/s

実際の衝突トラックとの比較

3mm

32 μs

50μm

3mm

Stardust Cometary Cell C086-T2 の終端粒子付近(Burchell et al., 2008)

実際の衝突トラックの終端付近に、よく似た形状のトラックが観察される。
トラックができているのはプロジェクタイルの通った道筋だけであり、その道筋からクラックが成長していく様子が観察できた。

プロジェクタイルの失う運動エネルギーは、道筋にあるエアロジェルを破壊するためだけに使われているのではないか。

実験結果 (Time Dependence of Penetration Depth)
1z (t )  v0 (t  t 0 )   (t  t 0 ) 22dvm
  Pcr 2dt

Pc： 単位面積当たりのエアロジェルを壊すために必要な力
r：プロジェクタイル半径t0：エアロジェルに貫入した時間

エアロジェル（0.06 g/cc）を破壊するときに受ける抵抗
m1z (t )  v0 (t  t 0 )   (t  t 0 ) 22dv
  Pcr 2dt
Projectile

Velocity (m/s)

Pc (MPa)

Soda Lime Glass251.2

2.5±0.18

3.5

Soda Lime Glass

252.7

3.3±0.096

3Al2O3234.4

4.1±0.18

2.5

Al2O3

268.2

5.0±0.082

Al2O3234.4

2.4±0.042

SUS176.3

2.2±0.11

SUS174.90.99±0.099

SUS

175.6

1.8±0.16

Al

232.5

2.6±0.068

Al245.6

2.9±0.13

4

Penetration Depth (cm)P r 2 cm

21.5
1

プロジェクタイル：SUS球（直径0.32 cm）
ターゲット：シリカエアロジェル（0.06 g/cc）
初速度 = 175.6 m/s

0.5
0050

100

150

200

250

実験結果のまとめStardust Cometary Cell
C2044 Track 38
画像：Stardust Catalogより

Pcr 2m

cf. エアロジェルの静的破壊強度～0.3 MPa

Pc = 2.7±1.2 (MPa)Time (micro sec)(Moner-Girona et al.,1999)

今回の実験データを用いて計算した計算値と実験値(Burchell et al.,2001)との比較

dv v 2dt

貫入モデルの仮定mdv
C  sup d  0 v 2 , Pc r 2(v > 0)
dt
 2


抵抗dv
 βdtCd=1.1±0.1, Pc=2.7 ±1.2(MPa)vc 1C  r 2
 d 02m0.8

Projectile : SUS
v0=175.6 m/s

3mm•衝突トラックはプロジェクタイルの道筋のみにしかできず、そこからクラックの成長がしている。また、バウショックも観測された。

mdv
  Pcr 2
dt

Projectile : Nylon
v0=3.32 km/s

3mm

•衝突トラックはプロジェクタイルの進行方向に対して垂直な方向にも大きく拡がる•バウショックによってエアロジェルが破壊されていると考えられる

mCdv
  d  t v 2r 2dt
2Lt LO/LT 0.60.4

LO：実験値LT ：計算値



0012

3456

Impact Velocity (km/s)

Pcr 2m  1ln  v0  2ターゲット：
シリカエアロジェル（0.06 g/cc）

This Work
Dominguez et al., 2004

0.21



速度7

プロジェクタイル：
ソーダライムガラスビーズ（直径106 μm）

2