Thermal Performance of Additively Manufactured Lattice and Honeycomb Sandwich Cores for Heat Shielding

航空宇宙工学という極めて高い技術が求められる世界において、大気圏再突入時の激しい熱から機体を守ることは、生死を分ける死活問題である。宇宙船や極超音速機が大気圏に突入する際、機体前方の空気は圧縮されて数千度にも達する高温となり、標準的な金属を数秒で溶かしてしまうほどの熱障壁を作り出す。これに対処するため、エンジニアは多くの場合サンドイッチパネルとして構築される熱防護システムに頼っている。これらの構造は、2枚の薄くて強固な外層スキンと、その間にある軽量なコアで構成されている。コアの役割は、機体の重量を支えることではなく、断熱材として機能し、灼熱の外側スキンからの熱が内部のデリケートな電子機器や燃料タンクに到達するのを防ぐことである。数十年にわたり、このコアの業界標準は、薄い金属箔を六角形のパターンで接着したハニカム構造であった。これは実証された信頼性の高い設計であるが、製造に使用されるツールによって制限がある。ハニカムの形状は固定されており、材料は全体を通して均一である。

インドのマッラ・レディ・デームド大学の研究チームは、3Dプリンティング（アディティブ・マニュファクチャリング）の急速な進歩によって可能となった、異なる道を探求した。従来のハニカムに縛られる代わりに、彼らは、より効果的に熱を遮断できる可能性のある、より複雑で三次元的な内部構造を持つコアを設計できないかと考えた。彼らは「オクトレット・トラス・ラティス」として知られる特定の幾何学的パターンに焦点を当てた。これは、相互に連結されたストラット（支柱）の繰り返されるフレームワークであり、微視的な足場のような見た目をしている。コンピュータを用いて極限の熱条件をシミュレーションすることで、彼らはこの新しいラティス設計を、旧来のハニカム標準と直接比較し、さまざまな材料密度レベルでテストを行い、どちらがパネルの背面をより涼しく、かつ安定させられるかを確認した。

研究者たちは、材料にアルミニウム合金を用い、両方のサンドイッチパネルの詳細なデジタルモデルを作成し、2種類の激しい熱シナリオにさらした。第1のシナリオでは、定常的な一定の熱源をシミュレートし、上面を摂氏500度の灼熱状態に保ちつつ、下面は低温の状態に保った。第2の、より動的なシナリオでは、高速飛行中に車両が経験する可能性のある突然の激しい加熱を模して、上面に5分間にわたる大規模な熱フラックスを浴びせた。彼らは、実用的なほど軽く、かつ熱を遮断するのに十分な厚みを持つ「スイートスポット」を見つけるために、非常に軽くて空気を含んだものから、やや高密度なものまで、幅広い密度範囲にわたってこれらのシミュレーションを実行した。

シミュレーションの結果は明白であり、新設計に有利なものであった。アディティブ・マニュファクチャリングによるラティスコアは、従来のハニカムと比較して優れた断熱材であることが証明された。定常熱テストにおいて、ラティス構造はハニカムよりも約26パーセント効率的に熱を伝導させた。この性能の差は、パネルの保護された背面の温度に直接反映された。上面に5分間の激しい熱バーストが加えられた際、ハニカムパネルの背面は摂氏315度に達した。しかし、ラティスパネルは大幅に低く保たれ、密度5%では背面温度が摂氏287度となり、テストされた最低密度である3%では摂氏256度という最小値を記録した。これは、センサーがミッションを生き残れるか失敗するかを決める決定的な要因となり得る、30度近い差である。

熱を遮断するだけでなく、ラティス構造は熱による物理的なストレスもより良く処理した。材料は高温になると膨張し、歪んだり曲がったりすることがあり、それが車両の構造的完全性を損なう可能性がある。ハニカムパネルは熱負荷によって2.34ミリメートル変形したが、ラティスパネルの変形は1.94ミリメートルにとどまった。この17パーセントの曲がり減少は、ラティス設計が優れた熱シールドであるだけでなく、より安定したシールドでもあることを示唆している。つまり、激しい温度変化に伴う歪みに耐性があるということである。研究者たちは、ラティスの優位性はその形状に由来することを発見した。垂直な壁を持つハニカムとは異なり、ラティスは角度のついたストラットで構成されている。この角度のついた経路により、熱はより長く、曲がりくねったルートを通ることを余儀なくされ、熱の進行が遅くなる。さらに、ラティスの開放的な性質は、内部での放射交換を促進し、熱が真っ直ぐ通り抜けるのではなく、コア内で熱を分散させるのに役立つ。

また、この研究では、このラティス設計が最も高い性能を発揮する特定の密度範囲も特定された。軽量なコアは、熱を伝導する固体金属が少ないため一般的に熱を遮断しやすいが、研究者たちは、コアが軽すぎると、放射を通じて熱が空気の隙間を移動してしまうことを発見した。彼らは、伝導と放射の間の特定のトレードオフの文脈において、背面の温度を最小限に抑えるための最適なバランスは、相対密度が7%から10%の間であると判断したが、最低の背面温度（256℃）は3%の密度で観察された。これらの密度において、ラティスコアはその優位性を維持し、ハニカムの同等品よりも背面を約20度から30度低く保った。この知見は、これらの新しい材料への切り替えを検討しているエンジニアに対し、不必要な重量を加えることなく最高の保護を得るためにどれだけの材料が必要かを示す、具体的なガイドラインを提供するものである。

これらの知見は、風洞実験ではなくコンピュータシミュレーションに基づいているが、異なる熱条件や密度における結果の一貫性は、これらの構造の潜在能力について強力な根拠を示している。研究者たちは、ラティス設計によって、性能をさらに最適化するために異なる層に異なる密度を作成するといった、従来の製造法では不可能なカスタマイズが可能になると指摘した。本研究はアルミニウムに限定されており、表面の粗さや結合の不完全さといった現実世界のあらゆる変数までは考慮していないが、データは、3Dプリントされたラティスコアが間もなく古いハニカムの標準に取って代わる可能性があることを示唆している。次世代の宇宙船や極超音速機にとって、これは、複雑な幾何学的パターンを再突入時の炎に対する不可欠な盾へと変え、より軽く、より涼しく、より信頼性の高い熱防護システムをもたらすことを意味している。