パイロショック解析
パイロショックの理論基礎
パイロショックとは
先生、パイロショックって何ですか？
火工品（pyrotechnic devices）の作動で発生する高周波の衝撃だ。ロケットの段間分離、衛星の分離、ボルトカッター等で発生。
特徴：
- 極めて高い周波数成分 — 100 Hz〜100 kHz
- 短時間 — 数ms以下
- 加速度が非常に大きい — 数千〜数万G
- 構造の損傷は少ないが電子機器を破壊 — リレー、水晶振動子、HDD等
数万Gの加速度！ 構造は壊れないけど電子部品が壊れる？
パイロショックは高周波成分が支配的だから、構造自体の応答（低周波のたわみ）は小さい。しかし電子部品は高周波に敏感で、はんだの剥離やリレーの誤動作が起きる。
SRS（Shock Response Spectrum）
パイロショックの評価にはSRS（Shock Response Spectrum）を使う。各固有振動数の1自由度系の最大応答をプロットしたもの。
各周波数での最大応答を一覧にするんですね。
SRSで「この周波数帯の応答が許容値を超えるかどうか」を判定する。NASA-STD-7003でSRSの許容値が規定されている。
FEMでの解析
パイロショックのFEMは高周波（kHzオーダー）を正確に追跡する必要があるため、非常に細かいメッシュと小さい$\Delta t$が必要。
- 陽解法FEM — $\Delta t$が自動的に小さい。高周波に対応
- SEA（統計的エネルギー解析） — 高周波の統計的応答
- FEM-SEAハイブリッド — 低周波FEM＋高周波SEA
まとめ
要点：
- 高周波（100 Hz〜100 kHz）の衝撃 — 火工品の作動で発生
- SRS（Shock Response Spectrum）で評価 — NASA-STD-7003
- 電子部品が損傷の主対象 — 構造は通常健全
- FEMは高周波メッシュが必要 — SEAとのハイブリッドも検討
火工品衝撃は宇宙機の最大の難関
衛星の分離火工品（ボルトカッター・爆発ボルト）が作動する際、数μsで数万Gの衝撃加速度が発生する。この火工品衝撃（Pyrotechnic Shock）はSRS（衝撃応答スペクトル）で評価され、2000Hzで10000G以上という過酷な環境が電子機器を破壊する主要原因となっている。1960〜70年代のアポロ計画で深刻な問題となり、NASA HDBK-7005として体系化された。
パイロショックの数値計算手法
パイロショックのFEM
高周波を解像するメッシュ要件：$\lambda_{min} / 6$ 以下。10 kHzの弾性波（鋼: $c = 5000$ m/s）：
80 mmの要素でいいなら、そこまで細かくないですね。
10 kHzまでならそうだが、50 kHzまで必要な場合は$h < 17$ mm。100 kHzなら$h < 8$ mm。パイロショックの周波数範囲全体をFEMでカバーするのは計算コストが大きい。
SEA（統計的エネルギー解析）
高周波（1 kHz以上）ではモード密度が高く、FEMの離散的なモード1つ1つを追跡する意味が薄れる。SEAはサブシステム間の平均エネルギーの流れを統計的に計算する手法で、高周波に最適。
ソルバー
| ツール | 手法 |
|---|---|
| LS-DYNA | 陽解法FEM。中周波まで |
| VA One（ESI） | FEM-SEAハイブリッド。パイロショックの標準 |
| Wave6（Free Field Tech） | FEM-SEAハイブリッド |
まとめ
SRSはシェパードが1932年に考案した
衝撃応答スペクトル（SRS）はCharles Shepardが1932年に地震動評価のために提案した概念で、様々な固有周波数を持つ1自由度系が衝撃入力に対して示す最大応答を周波数の関数としてプロットしたもの。MIL-STD-810H Method 516.8やECSS-E-HB-32-25Aで試験・解析手法が規定され、SRS計算には1/12オクターブ周波数ステップでQ（品質係数）＝10が標準設定。
パイロショックの実務適用
パイロショックの実務
宇宙機器の設計で、パイロショック環境での電子部品の健全性を評価。
実務チェックリスト
SRS解析でJAXA衛星が防護される仕組み
JAXA「だいち2号」（ALOS-2、2014年打上げ）では、H-IIAロケットの衛星分離衝撃SRS環境がMSC Nastranによるモード重ね合わせ応答解析で事前評価された。衛星側の受衝撃環境（SRS）がコンポーネント試験仕様値以内に収まることをシミュレーションで確認し、振動試験の入力条件設定に活用している。火工品衝撃のFEM予測は実測との±6dB以内の一致が業界の受入れ基準。
パイロショックのソフトウェア比較
パイロショックのツール
選定ガイド
火工品衝撃解析に特化したツール群
火工品衝撃の専門ツールとしては、LDS（LeCroy）のDADiSP・nCodeが試験データのSRS計算に広く使われる。FEMベース解析ではMSC NastranのSOL 112（モード過渡）がJAXA・三菱電機・NEC東芝スペースで標準採用。高周波域のSEAツールはESIのVA One（旧VIBES）が衛星メーカーに普及。Ansys Mechanical 2023R1からSRSの直接計算機能が追加され、試験・解析の統合ワークフローが改善された。
パイロショックの先端研究
パイロショックの先端研究
Statistical Energy Analysis が高周波を担う
火工品衝撃の高周波域（2kHz以上）はFEM解析の精度が低下するため、SEA（Statistical Energy Analysis）との組み合わせが有効である。FEMで0〜2kHz、SEAで2〜100kHzを担当するハイブリッド解析（FEM-SEA）は、ESA（欧州宇宙機関）が2005年代から採用し始め、現在はVA One（MSC Software）が宇宙機の火工品衝撃予測標準ツールとして衛星メーカーに使用されている。
パイロショックのトラブル対応
パイロショックのトラブル
SRS計算のQ値設定で答えが大きく変わる
SRS計算では品質係数Q（＝1/2ξ）の選択が最終スペクトル値に大きく影響する。Q＝10（減衰比5%）が宇宙機標準だが、精密光学機器の評価ではQ＝50（減衰比1%）を使う規格もある。同じ時刻歴データでQ＝10とQ＝50ではSRSが3〜6dB変わるため、試験規格書の指定Q値を必ず確認する。LS-DYNAやNastranのSRS後処理は入力Q値を間違えやすいので単位と定義を再確認すること。
関連トピック
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