世界初の木製衛星が間もなく公開される。アメリカと日本はなぜ衛星の製造に木材を使用するのでしょうか?

2024年、米国と日本はノースウェスタン工科大学の美しいキャンパスを利用して人工衛星を建造する予定です。この文は無関係に聞こえませんか?焦らないで、説明させてください。

ノースウェスタン工科大学のすべての学生は、私たちの学校の花が毎年春にキャンパス全体に咲き誇るとても美しい白いモクレンであることを知っています。白いモクレンはモクレン属の植物です。大工によると、この種の植物の木材は材質が優れており、質感がまっすぐで、構造が細かく、家具作りに適しているそうです。

なぜ家具作りに適したものを衛星作りに使うのでしょうか?ここでの論理は次のとおりです。

人類が地球の軌道にますます多くの衛星を打ち上げていることは、誰もが知っています。これらの衛星は寿命が尽きると宇宙ゴミになります。特に、軌道が地球に近づくほど空間が狭くなり、他の宇宙船と衝突する可能性が高くなります。幸いなことに、低軌道には、この高度では多かれ少なかれ空気が存在するという特徴があり、この高度では宇宙船の速度が非常にゆっくりと低下します。したがって、ここでの宇宙船の軌道高度は実際には徐々に低下しています。低軌道衛星は廃棄された後、高度も徐々に下がり、最終的には大気圏に突入して落下します。

すると、また疑問が湧いてきます。もし衛星が空から落ちてきたら、怖いでしょうか？花や植物に当たったらどうしますか？地球は広いので確率は非常に低いですが、今後衛星の打ち上げや落下の頻度が高くなれば、人口密集地域に衝突する確率は高まります。このとき、木製衛星の利点が反映されます。帰還時に大気圏との相互作用で発生する高温により完全に燃え尽き、残った金属部分は非常に小さくなり、流星のように燃えるため、花や植物に当たる確率ははるかに低くなります。

では、木材で衛星を建造することの何が特別なのでしょうか?それは主に機械的特性です。ウッド氏は、初期の飛行機が木で作られていたことから、この点に関してはある程度の経験を持っています。しかし、金属と比較すると、木材の強度や剛性は優れているわけではありません。いわゆる強度とは、簡単には壊れない性質を指します。たとえば、アルミニウム合金の引張強度は 200 ～ 300 MPa に達しますが、最も強度の高い木材の引張強度は、最も長い木目方向に沿って引っ張った場合で 100 を超える程度です。剛性とは、簡単に言えば柔らかさと硬さのことで、変形しにくい性質のことを言います。木材を木目に沿って引っ張ると、弾性率は10,000MPa以上、アルミニウム合金では70,000MPaになります。

幸いなことに、航空機と比較すると、衛星は空力負荷に耐える必要がないため、構造強度要件はそれほど高くありません。ロケット打ち上げ時の過負荷と振動に耐えるだけで十分です。航空機の主要部品にかかる負荷ははるかに小さくなります。また、宇宙環境は地球の環境とは異なります。高真空と高放射線の拷問下では、木材の性能が低下する可能性があります。

北京林業大学が発表した論文を調べてみました。論文では、ガンマ線を照射すると木材のセルロースが劣化し、一部の分子鎖が切断され、引張、曲げ、圧縮、衝撃に対する耐性が弱まることが実験によって証明された。したがって、マグノリア材は当初から航空宇宙用木材として認識されていたわけではありません。今年初めには、桜や白樺の木材とともに国際宇宙ステーションに持ち込まれた。試験・選定の結果、宇宙環境下でも性能変化が最も少ないことがわかり、衛星用材料として定着しました。

彼が作った最初の衛星も実験的な性質のものでした。それはとても小さくて、コーヒーカップほどの大きさしかありませんでした。想像してみてください。衛星が小さいということは、その構造にかかる負荷が少なく、搭載する試験ペイロードも少なく、打ち上げコストも安いので、コストが低くなるのです。宇宙に打ち上げられた後に破壊されたとしても損失は少ないので比較的安全です。将来、木材でどのくらいの大きさの衛星を作れるかは、明日宇宙に打ち上げられた後の性能次第だ。

ねえ、キャンパスの美人は宇宙に行ってしまったけど、私はいつ行けるの？私はGou Shengです。ハードコアで興味深い航空宇宙の知識をお届けします。私に「いいね！」してフォローするだけで、授業外活動に参加できます。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 梁一塵（ゴウ・シェン先生）西安航空大学講師

査読者: ハン・ウェンビオ、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司