極限環境材料学 (H36B)

日本大学理工学部

2025年大学院理工学研究科シラバス - 航空宇宙工学専攻

設置情報

科目名	極限環境材料学
設置学科	航空宇宙工学専攻	学年	1年
担当者	奥山　圭一	履修期	後期
単位	2	曜日時限	水曜6
校舎	船橋	時間割CD	H36B
クラス
その他	実務経験のある教員による授業科目

概要

学修到達目標	1.　材料内部に発生する応力が許容応力を逸脱し，材料が破壊に至らないように潜在する課題を抽出し，それに対処できる構想力，問題設定能力を習得する． 2.　ロケット打上げ時の振動・衝撃に加え，微小重力，極真空，宇宙黒体冷却，太陽光加熱，熱サイクル，紫外線や宇宙放射線照射などの宇宙環境を理解する． 3.　金星や火星，タイタンなどの大気を持った惑星環境を理解する． 4.　地球周回軌道や惑星軌道から地球大気圏に突入する宇宙機が遭遇する空気力学的加熱環境とその熱防御対策について理解する． 5.　昨今の地球環境の変化は「①宇宙における地球が置かれた環境の変動」，あるいは「②人間の経済活動」に起因するものなのか原因を分析し，材料工学，材料科学の観点で対策を講じる． 6.　2023年6月18日，深海潜水艇タイタンはカナダのニューファンドランド島沖合から南東740キロメートルの北大西洋上で潜水中に圧潰，沈没した．タイタン構造はチタン合金とCFRPから成り，何故，この事故が生じたのかを理解する． 7.　上記1.から５.の理解に基づいて，特殊環境下でも目的の性能を発揮できる材料を設計できる力を養う．
授業形態及び授業方法	・実務教員による授業　太陽系には金星や火星，タイタンなどの大気を持った惑星や衛星が多数存在している．例えば，金星は二酸化炭素を主成分とする濃い大気を持ち，地表面の大気圧は約9.3MPaである．強烈な温室効果によって，金星地表は約450℃に達すると考えられている．一方，火星の大気は金星と同様に二酸化炭素が主成分であるものの，その地表面の大気圧は約0.8KPaであり，また温度は約‐50℃である．金星や火星の環境は，地球と大きく異なる．ここでは，このような惑星環境に加え，宇宙空間などの特殊環境で使用できる材料とその特徴や応用などを講義する．・教科書に従って，板書による対面授業を基本として行う．
準備学習（予習・復習等）の内容・受講のための予備知識	熱力，工力，流力，材力に加え，航空宇宙材料，宇宙工学を学習していることが望ましい．　最も大切なことは，日本，米国，欧州，インド，ロシア（旧ソ連），中国などが行った月・惑星探査や深宇宙探査に関心を持っていること．

授業計画

第1回	【宇宙環境，地球環境，大気を持った他惑星環境】　微小重力，超高真空，大きな温度差，宇宙放射線など過酷な宇宙空間や，地球とは全く異なる金星や火星，タイタンなどの惑星・衛星環境を概観する．	【事前学習】　シラバスの内容をよく読んでおくこと．また，宇宙環境の特殊性について調べること．【事後学習】　授業内容を復習し，微小重力，超高真空，大きな温度差，宇宙放射線など過酷な宇宙空間や，地球とは全く異なる金星や火星，タイタンなどの惑星・衛星環境の理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第2回	【ロケット打上げ時の機械的環境と材料】　エンジン推力がもたらす機軸方向の加速度，エンジン噴流によるランダム音響振動，衛星分離のための火工品爆発時の衝撃など様々な機械的環境と，これに耐荷できる材料やロケット構造について講義する．	【事前学習】　第１回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，ロケットエンジン推力がもたらす機軸方向の加速度，エンジン噴流によるランダム音響振動，衛星分離のための火工品爆発時の衝撃など様々な機械的環境と，これに耐荷できる材料やロケット構造について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第3回	【微小重力環境と材料】　微小重力では物体の重量はほぼゼロとなる．このような環境下で機能する構造を考える前に，地球重力下および火星重力下で荷重を作用させた材料内部の応力発生状態を考察する．	【事前学習】　第2回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，地球重力下および火星重力下，微小重力下，無重力環境下で荷重を作用させた材料内部の応力や振動の発生状態について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第4回	【超高真空と材料】　超高真空環境下において，材料表面ではガス吸着層が消失し，また材料内部では揮発成分が気化することで材料が減肉する．この現象を概観する．また，超高真空環境下において，金属材料，無機材料および有機材料の気化現象を説明し，これによる機械的特性の劣化について講義する．	【事前学習】　第3回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，超高真空環境下において，材料表面ではガス吸着層が消失し，また材料内部では揮発成分が気化することで材料が減肉する現象について理解を深めること	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第5回	【地球環境の変化（その１）】地球環境の成り立ちを概観し，ミランコビッチ・サイクルについて学ぶ．ミランコビッチ・サイクルは地球の公転軌道の離心率の周期的変化，自転軸の傾きの周期的変化，自転軸の歳差運動という3つの要因により，日射量が変動する周期である．次に，温室効果について理解する．	【事前学習】　第4回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　地球環境の成り立ちを概観し，ミランコビッチ・サイクル説および温室効果説に基づいて地球環境変化について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第6回	【地球環境の変化（その２）】過去から現在までの気候の変化をミランコビッチ・サイクル，および温室効果ガスの観点で分析し，気候変動の予測スキームを考え，気候変動予測モデルを考える．この結果に基づいて，将来の気候変動を予測し，対策を講じる．	【事前学習】　第5回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　過去から現在までの気候の変化をミランコビッチ・サイクル，および温室効果ガスの観点で分析し，気候変動の予測スキームを考え，将来の気候変動を概観できるよう理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第7回	【宇宙放射線と材料】　宇宙放射線は太陽放射線や宇宙線などから成り，最も有害な太陽放射線は紫外線とX線である．これらが有機材料に照射された場合，ポリマーの鎖状構造が分断され，機械的特性が劣化する．宇宙放射線が材料に与える悪影響について学ぶ．　また，その宇宙放射線が，金属材料，無機材料，有機材料に照射された場合の材料劣化について理解する．	【事前学習】　第6回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　太陽放射線や銀河宇宙線などを概観し，特に紫外線とX線が有機高分子材料に照射された場合の機械的特性変化について理解する．さらにこれら放射線が金属材料，無機材料に照射された場合の材料劣化についても理解を深める．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第8回	【中間理解度確認およびその解説（中間試験）】　第１回から第７回までの学習内容の理解程度について試験する．	【事前学習】　第1回から第7回までの講義内容を復習すること．【事後学習】　中間試験について復習すること．	【事前学習】3時間【事後学習】1時間
第9回	【粒子衝突衝撃と材料】　宇宙空間を高速で飛翔する粒子には，原子やイオン，宇宙塵や隕石，宇宙ゴミ（スペースデブリ）などがある．これらが材料に衝突するとスパッタリング，エロージョンまた貫徹などが生じ，機械的特性が劣化する．これを概観する．	【事前学習】　第8回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，宇宙空間を高速で飛翔する原子やイオン，宇宙塵や隕石，宇宙ゴミ（スペースデブリ）などが材料に衝突することで生じるスパッタリング，エロージョンまた貫徹などの現象，およびこれに伴う機械的特性の変化について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第10回	【宇宙往還と材料（その１）】　大気を持った惑星や衛星に宇宙機が突入する際，宇宙機の外表面は強烈な空力加熱に曝される．この加熱現象について講義する．	【事前学習】　第9回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】大気を持った惑星や衛星に宇宙機が突入する際，宇宙機の外表面は強烈な空力加熱に曝される．この空気力学的加熱現象について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第11回	【宇宙往還と材料（その２）】　大気突入環境は地上装置で完全に模擬できないので，往還機設計は解析で行わなければならない．この解析モデルの妥当性は地上装置で評価しなければならず，このパラドックス問題を解く手法について講義する．また，宇宙往還機に艤装できる熱防御材の設計思想や基本性能について講義する．	【事前学習】　第10回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，空気力学的加熱を受ける宇宙機の熱防御システムの設計思想や基本性能について理解し，基本的な熱防御材料を設計できるようになること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第12回	【惑星などの特殊環境と材料】　金星，火星やタイタンといった地球とは全く異なる環境，さらにこの環境下で探査機を長期間使用するための材料設計の考え方を講義する．また，これら地球とは全く異なる大気を持った惑星や衛星大気中を高速飛行する宇宙機が遭遇する空力加熱の大きさとその熱防御方法を理解する．	【事前学習】　第11回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，金星，火星やタイタンといった地球とは全く異なる環境，さらにこの環境下で探査機を長期間使用するため，さらにこれら天体大気を高速飛行する宇宙機の外表面に生じる空力加熱現象に耐荷するための各種材料の設計法について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第13回	【深海探査船タイタンの圧潰，沈没事故（その１）】　深海探査船タイタンの圧損，沈没事故が何故生じたのか？，その理由を理解するために深海環境について学ぶ．次いでタイタン構造について理解する．	【事前学習】　第12回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　授業内容を復習し，深海環境を理解し，圧損，沈没事故を起こした深海探査船タイタンの構造について理解を深めること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第14回	【深海探査船タイタンの圧潰，沈没事故（その２）】　深海探査船タイタンはチタン合金とCFRPからなる構造であり，このタイタン構造が深海環境でどのような外圧が作用し，どのような内部応力状態，変形状態にあったのかを理解する．この事故を防ぐための対策を材料工学，材料科学の観点で学び，技術者として心構えを深く考察する．	【事前学習】　第13回講義のときに配布した資料を読んでおくこと．【事後学習】　深海探査船タイタンはチタン合金とCFRPからなる構造であり，このタイタン構造が深海環境でどのような外圧が作用し，どのような内部応力状態，変形状態にあったのかを理解を深めること．この事故を防ぐための対策を材料工学，材料科学の観点で学び，技術者として心構えを深く考察し，自身の考えをまとめること．	【事前学習】1時間【事後学習】3時間
第15回	【理解度確認およびその解説（平常試験（期末試験））】　第９回から第１４回までの学習内容の理解程度について試験する．	【事前学習】　第9回から第14回までの講義内容について復習すること．【事後学習】　期末テストについて復習すること．	【事前学習】3時間【事後学習】1時間

その他

教科書	適宜，講義用資料を配布する．
参考資料コメント及び資料（技術論文等）
成績評価の方法及び基準	成績評価は中間試験（中間演習）と平常試験（期末試験）の結果から行う．
質問への対応	随時，メールにて受け付けています．
研究室又は連絡先	研究室：327B室　E-mail：okuyama.keiichi@nihon-u.ac.jp
オフィスアワー	月曜船橋 17:00 ～ 19:00
学生へのメッセージ

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