軌道観光モジュールのドッキング操作中に重大な圧力漏洩が発生し、複数の民間人の生命が危険にさらされました。この事故は、ハッチのシリコンシールにおける弾性変形に起因し、太陽光が当たる面（摂氏120度）と深い影の領域（摂氏-150度）の間の極端な温度勾配によって引き起こされました。本稿では、コンピュータ支援工学ツールと光学計測を用いて、故障のモデル化、シミュレーション、検証に使用された技術的なワークフローを詳述します。
CatiaでのモデリングとStar-CCM+でのマルチフィジックスシミュレーション 🛰️
最初のステップは、Catia V5でシリコンOリングとそのハウジングを再構築し、非線形接触を伴う有限要素メッシュを定義することでした。その後、モデルをSiemens Star-CCM+にエクスポートし、放射と伝導による熱伝達シミュレーションを構造解析と連成させました。外面には表面温度の境界条件が適用され、シールの両端間で270ケルビンの温度差が記録されました。結果は、差動膨張によりシールの断面に0.8ミリメートルの弾性変形が生じ、漏洩用のマイクロチャネルを形成するのに十分であることを示しました。応力-ひずみ線図は、材料がヤング率の上限で動作しているが、塑性降伏には達しておらず、気密接触の喪失に至っていることを明らかにしました。
計測による検証と軌道設計への教訓 🔬
モデルを検証するために、実験室で加速熱サイクルにかけられたシールを、GOM Control Xブルーライトスキャナでスキャンしました。得られた点群は、Star-CCM+によって予測された変形形状と比較され、平均偏差はわずか12ミクロンでした。この一致は、周期的な熱疲労が故障の主要メカニズムであることを確認しました。設計上の推奨事項として、シールハウジングに多層断熱材を組み込み、熱膨張係数を低減するセラミックフィラー入りシリコンコンパウンドに変更し、将来の有人ミッションでの気密性を確保することが提案されています。
連成熱機械疲労を伴う有限要素解析を用いて、軌道熱サイクルを受けるエラストマーシールの初期亀裂の正確な位置を予測することは可能でしょうか？それとも、接触の幾何学的複雑さにより、事前の物理試験なしでは正確なシミュレーションが不可能なのでしょうか？
(追記: 材料疲労は、10時間のシミュレーション後のあなたの疲労と同じです。)