[PPS09-P03] 低強度標的を用いた衝突破壊実験：引張強度と衝突破壊強度の関係
キーワード：衝突破壊、低強度標的、衝突破壊強度
小惑星は、隕石母天体の研究により、さまざまな鉱物で構成されていると考えられている。S型及びC型小惑星は、これらを母天体とするコンドライト隕石の構成物であるmmサイズのコンドリュールとμmサイズのマトリックスからなると予測されている。小惑星は、内部に空隙を持っているものが多く、特にC型及びS型小惑星は多孔質である天体が数多く見つかっている。天体の衝突破壊強度は、小惑星のサイズ頻度分布の進化を決定する最も重要な物理的特性の1つである。衝突破壊強度は小惑星のサイズに依存し、半径100mより小さいサイズでは天体の物質強度が衝突破壊強度を支配する。室内実験では、この物質強度が強度を支配する強度支配域の衝突破壊強度に対する物質強度依存性を調べられてきた。その結果、岩石、氷、そして、それらの空隙率依存性について多くの研究が行われている。しかし、物質強度を連続的に変化させた小惑星模擬物質に対する衝突破壊実験はこれまでに例はない。
本研究では、コンドリュールとマトリックス、それに空隙で構成される小惑星を模擬した標的を用いて衝突破壊実験を行なった。標的のマトリックス量や空隙率といった標的の内部構造を変化させることで、引張強度を２桁近く変化させて内部構造と衝突破壊強度の関係を調べた。
衝突破壊実験は、神戸大学の二段式軽ガス銃を使用して行った。弾丸は直径4.7mmのポリカーボネート球と直径2mmのナイロン球を使用し、衝突速度を0.9km / s〜5.7km / sの範囲で変化させた。衝突はすべて正面衝突させた。 標的は直径40mm、60mm、および80mmの球で、粒径100μmの石英砂と多孔質石膏を混合質量比が2:1,4:1,8:1,20:1になるように混合した。標的の引張強度（Yt）はブラジリアン試験を行って測定した。衝突破壊の様子は、10^5fpsの高速カメラで観察した。
ブラジリアン試験の結果、標的の引張強度は石膏質量比の減少に伴い800kPaから10kPaに減少することがわかった。衝突実験では、エネルギー密度(=弾丸の運動エネルギー/元の標的質量)と最大破片質量(Q*)の関係を調べた結果、ml/Mt=AQ^-bという関係式を得た。石膏混合比の減少とともにAは10^3.6から10^1.2、bは1.3から0.6と変化した。この結果を用いて、衝突破壊強度(Q*)を決定し、石膏質量比の減少とともにが1900J / kgから100J / kgに減少することがわかった。これは、Q*が引張強度に比例することを意味している。一方、高速ビデオを使用して測定した反対点速度（Va）は、エネルギー密度とベキ乗関係にあり(Va=10^-2.0Q^0.7)、引張強度依存性はみられなかった。
最後に、砂・石膏混合標的のカタストロフィック破壊のスケーリング則を議論するために、規格化最大破片質量と無次元衝突応力(PI)の関係を調べた。PIは、反対点圧力を引張強度で規格化した値として定義され、引張強度の異なる標的の衝突破壊の程度を規格化するために提案されたものである。その結果、PIと最大破片質量の関係はPI=C(ml/Mt)^-dと表されたが、この関係は標的の石膏質量比が高い場合(2:1及び4:1で C=10^0.3, d =1.2)と低い場合（8:1及び20:1で C=10^1.0, d=1.5）の結果が二分化した結果となった。
本研究では、コンドリュールとマトリックス、それに空隙で構成される小惑星を模擬した標的を用いて衝突破壊実験を行なった。標的のマトリックス量や空隙率といった標的の内部構造を変化させることで、引張強度を２桁近く変化させて内部構造と衝突破壊強度の関係を調べた。
衝突破壊実験は、神戸大学の二段式軽ガス銃を使用して行った。弾丸は直径4.7mmのポリカーボネート球と直径2mmのナイロン球を使用し、衝突速度を0.9km / s〜5.7km / sの範囲で変化させた。衝突はすべて正面衝突させた。 標的は直径40mm、60mm、および80mmの球で、粒径100μmの石英砂と多孔質石膏を混合質量比が2:1,4:1,8:1,20:1になるように混合した。標的の引張強度（Yt）はブラジリアン試験を行って測定した。衝突破壊の様子は、10^5fpsの高速カメラで観察した。
ブラジリアン試験の結果、標的の引張強度は石膏質量比の減少に伴い800kPaから10kPaに減少することがわかった。衝突実験では、エネルギー密度(=弾丸の運動エネルギー/元の標的質量)と最大破片質量(Q*)の関係を調べた結果、ml/Mt=AQ^-bという関係式を得た。石膏混合比の減少とともにAは10^3.6から10^1.2、bは1.3から0.6と変化した。この結果を用いて、衝突破壊強度(Q*)を決定し、石膏質量比の減少とともにが1900J / kgから100J / kgに減少することがわかった。これは、Q*が引張強度に比例することを意味している。一方、高速ビデオを使用して測定した反対点速度（Va）は、エネルギー密度とベキ乗関係にあり(Va=10^-2.0Q^0.7)、引張強度依存性はみられなかった。
最後に、砂・石膏混合標的のカタストロフィック破壊のスケーリング則を議論するために、規格化最大破片質量と無次元衝突応力(PI)の関係を調べた。PIは、反対点圧力を引張強度で規格化した値として定義され、引張強度の異なる標的の衝突破壊の程度を規格化するために提案されたものである。その結果、PIと最大破片質量の関係はPI=C(ml/Mt)^-dと表されたが、この関係は標的の石膏質量比が高い場合(2:1及び4:1で C=10^0.3, d =1.2)と低い場合（8:1及び20:1で C=10^1.0, d=1.5）の結果が二分化した結果となった。