卵殻形アレイで飛翔体速度を約65％低減、宇宙デブリ防護への応用を数値解析

2026年9月11日 10:44

中国・大連理工大学の研究チームが、卵の形に着想を得た宇宙機向け防護構造を考案した。水を満たした卵殻形のアルミニウム製ユニットを2枚のアルミニウム板の間に並べることで、衝撃を構造全体へ分散させる。数値解析では飛翔体の速度を約65％低減し、アルミニウム板だけの構成を上回った。

成果は2026年9月8日、米国物理学協会傘下の学術誌「Journal of Applied Physics」に掲載された。現段階では形状や配置を比較した研究であり、宇宙機用シールドとして採用するには、構造と充填材の最適化に加え、実際の超高速衝突条件を想定した試験が必要となる。

■卵殻形アレイが飛翔体速度を約65％低減

研究チームは、水入りの卵殻形アルミニウムユニットを密に並べ、上下からアルミニウム板で挟んだメタ構造を設計した。アルミニウム板のみの構成、水入りの球形ユニットを挟んだ構成、向きの異なる複数の卵殻形アレイを比較した。

AIP Publishingの発表によると、最も高い性能を示した卵殻形アレイは、飛翔体の速度を約65％低減した。アルミニウム板のみの構成では低減率が51％で、卵殻形アレイが約14ポイント上回った。

最も効果的だったのは、卵殻形ユニットを立て、細く尖った端部が上側の衝突板に接するように配置した構成である。衝撃を受ける板に尖った側を向けることで、ユニットが順番に変形しやすくなり、衝撃エネルギーを構造内へ広く分散できたという。

今回の研究では試作品と数値シミュレーションを用いて各構成を比較した。公表資料は、約65％という速度低減率を実機による超高速衝突試験の結果とは位置付けておらず、実用化に向けて今後さらに衝突試験が必要としている。

卵殻形アレイの特徴は、個々のユニットの強度ではなく、複数のユニットが連携して変形する構造にある。単独の卵殻は局所的な力で壊れやすいが、密に並べたアレイでは、衝撃を受けたユニットから隣接するユニットへ変形が順次広がる。

研究チームのYuxin Wangは、「単一の卵殻は局所的な力で容易に壊れるが、卵殻アレイの防護機構はまったく異なる。各ユニットの協調変形によって、局所的な衝撃荷重がメタ構造全体に分散して散逸し、標的板の耐衝撃性能が大幅に高まる」と説明している。

このように、材料そのものだけでなく、形状や配置によって構造全体の力学的特性を引き出す設計は、機械的メタ構造と呼ばれる。卵殻形アレイでは、衝撃が一点に集中するのを抑え、複数のユニットが順次つぶれる過程でエネルギーを受け止める。

今回確認された性能は、アルミニウムという材料だけでなく、卵殻形ユニットの向きと配列に左右されている。研究チームは現在、アルミニウム殻の厚さ、縦横比、ユニットの配置を調整し、より効率よくエネルギーを吸収できる構造を検討している。

卵殻形ユニットの内部に入れた水も、エネルギーの散逸に関与する。衝撃を受けると内部の水が動き、変形するアルミニウム殻と相互作用することで、構造を通じて伝わる衝撃波を抑える。

水入りの球形ユニットを使った構成も比較されたが、最も高い速度低減率を示したのは卵殻形アレイだった。この結果は、内部の水だけでなく、ユニットの形状と配置による協調変形が防護性能に寄与することを示している。

卵殻形ユニットの尖った端部を衝突板側へ向けた構成では、その端部から変形が始まり、周囲のユニットへ順次広がった。研究チームは、この連続的な変形と内部の水による衝撃波の抑制を、卵殻形アレイの主要なエネルギー散逸機構としている。

宇宙機の防護技術が求められる背景には、地球周辺に蓄積するスペースデブリがある。欧州宇宙機関の2026年7月31日時点の統計では、直径1cm超10cm以下のスペースデブリは約150万個と推定されている。この数値は、MASTER-8モデルの2026年2月時点の基準個体群に基づく推計である。

軌道上では小さな物体でも高速で衝突するため、宇宙機に深刻な損傷を与える可能性がある。一定以上の大きさを持つ物体は監視網で追跡できる場合がある一方、すべての小型デブリを個別に追跡することは難しく、宇宙機側で衝撃に備える受動的な防護も重要になる。

代表的な防護方式であるホイップルシールドは、宇宙機の外側に薄いバンパーを設け、衝突した物体を細かな破片の雲に変えてから後方壁で受け止める。破片雲を広げるためにはバンパーと後方壁の間隔が必要であり、限られた容積や質量で設計する小型宇宙機では、よりコンパクトな防護構造も研究対象となる。

卵殻形アレイは、複数の中空ユニットが変形する空間そのものをエネルギー吸収に利用する。従来方式を直ちに置き換えるものではないが、限られた空間で衝撃を分散する軽量構造を考えるうえで、新たな設計の手掛かりとなる。

研究チームは、卵殻形アレイを宇宙機用の軽量シールドとして使用する前に、形状と充填材をさらに最適化し、衝突試験を行う必要があるとしている。今回示された数値は研究で設定した構成と解析条件に基づくものであり、多様なデブリの大きさ、材質、形状、衝突角度に対する性能は今後の検証課題となる。

水を充填した構造を宇宙空間で使用する場合には、真空や大きな温度変化を前提に、密閉性や耐久性、充填材の状態変化を評価する必要がある。必要な防護性能を保ちながら、構造全体の質量をどこまで抑えられるかも重要になる。

研究チームは、アルミニウム殻の厚さ、アスペクト比、配列を改良し、エネルギー吸収性能の向上を進めている。Wangは「生物に着想を得た軽量メタ構造が、超高速衝突に対する防護の有望な方向性であることを示した。今回の研究が、生物模倣型の防護構造への関心を高めることを期待している」と述べている。