JP2013121786A

JP2013121786A - アブレータ

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Publication number: JP2013121786A
Application number: JP2011271248A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Oya; 洋明大矢; Nobuyuki Kubota; 伸幸久保田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: JP5727923B2

Abstract

【課題】従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができ、かつ、軽量化を図ることができる、アブレータを提供する。
【解決手段】第１樹脂が含浸した第１繊維からなる内層アブレータ１の外側に、第２樹脂が含浸した第２繊維からなり、内層アブレータ１よりも低密度の外層アブレータ２を、ホットプレスないし電気炉又はオートクレーブによる焼結等で作成した、アブレータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、アブレータの構造に関し、特に低密度アブレータを備えるアブレータの構造に関する。

宇宙実験ミッション又は惑星探査ミッション等で、実験装置又はサンプル等を回収するために、大気圏に再突入するカプセル等には、アブレータが備えられている。アブレータは、炭素繊維等の繊維に樹脂を含浸したプリプレグ等によって形成されていて、大気圏に再突入するときに、樹脂が熱分解すること等によって、カプセル本体への熱の伝達を遮断するものである。

このようなアブレータの一例として、特許文献１に開示されているものがある。特許文献１には、表面側が内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料よりなっていると共に、内部側が表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料よりなっていることを特徴とする高性能アブレータ材料が記載されている。

特許文献１には、表面側が高密度アブレータ材料により形成されていることによって、従来の全体が高密度アブレータ材料からなるものと同程度にリセッション量が少なく、形状安定性（均一リセッション性）に優れていると記載されている。また、特許文献１に開示されている高性能アブレータ材料では、高密度アブレータ材料は断熱性があまり良くないという問題点があり、低密度アブレータ材料はリセッション量が多いという問題点があるため、上記のように、内側に低密度アブレータ材料を配置し、表面側に高密度アブレータ材料を配置した構造をとっている。

また、アブレータ等の熱防御材料におけるカプセル等の機体構造への取り付けには、耐熱性の接着剤が用いられることが知られている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。

特開平８−２６８３９６号公報

John Cleland and Francesco Iannetti, "Thermal Protection System of the Space Shuttle", NASA Contractor Report 4227. William M. Congdon, "Development of design and production processes for block-ablator heatshields with preliminary test results", http://www.planetaryprobe.eu/IPPW7/proceedings/IPPW7%20Proceedings/Papers/SessionP2/p477.pdf 木元順一、並木祐之、高原智英、清野多美子、古田実、伊牟田守、中谷浩、槻木啓一、田島直之、飯尾真也、奥康生、"セラミックタイル開発基礎試験中密度セラミックタイル"、NASDA Technical Memorandum pp.161-182

ところで、低密度のアブレータは、高密度のアブレータに比して強度が低いため、機体構造への取り付けには荷重の集中を避ける必要があり、アブレータの下面全体を構造部材に接着して、荷重を分散させる必要がある。また、アブレータをカプセル等の機体構造に直接接着剤を用いて接着させると、機体構造の与圧変形等により、接着剥離を引き起こす可能性があるため、アブレータは、SIP（Strain Insulation Pad）等を介して、機体構造に接着される（例えば、非特許文献３参照）。

非特許文献３に開示されているように、低密度のアブレータ等の熱防御材料を機体構造に取り付けるには、機体構造にSIPを接着し、当該SIPに低密度アブレータを接着するので、取り付け作業に、非常に時間を要するという問題があった。具体的には、機体構造の形状及び機体構造に接着された各SIPの弾性の個体差により、隣接する低密度のアブレータ間における表面の段差が生じやすく、この段差をなくすために、SIPの厚みの調整をする必要があり、取り付け作業に、非常に時間を要するという問題があった。

また、SIPと低密度のアブレータとの接着に用いる接着剤の耐熱温度にまで、アブレータで断熱しなければならず、このため、アブレータの厚みが厚くなり、その結果、軽量化を図ることができないという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、従来のアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができる、アブレータを提供することを目的とする。

また、本発明は、従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、軽量化を図ることができる、アブレータを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するために、鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。

すなわち、低密度アブレータの荷重を受け持つ構造部材としての役割を高密度アブレータが行えるということと、高密度アブレ−タと低密度アブレータとの接合は、接着剤を用いなくても、オートクレーブによるコキュア成形で行えるということと、を見出した。

また、特許文献１に開示されているように、高密度アブレータは、低密度アブレータに比して断熱性があまりよくないとしても、低密度アブレータを高密度アブレータの外側に配置することにより、高密度アブレータよりも先に低密度アブレータが断熱するので、高密度アブレータの断熱性能でも充分にカプセル等への熱伝導を抑制することができるということを見出した。

そして、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。

すなわち、本発明に係るアブレータは、第１樹脂が含浸した第１繊維からなる内層アブレータと、第２樹脂が含浸した第２繊維からなり、前記内層アブレータよりも低密度の外層アブレータと、を備える。

高密度アブレータを低密度アブレータの内側に配置することにより、アブレータをカプセル等の機体構造に取り付ける際に、接着剤、ひいては、SIPを用いなくても取り付けることができる。このため、従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができる。

また、外層アブレータ（低密度アブレータ）の荷重を受け持つ構造部材を内層アブレータ（高密度アブレータ）にし、かつ、外層アブレータと内層アブレータとの接合を、接着剤を用いないようにすることにより、外層アブレータの厚み、ひいては、アブレータ全体の厚みを小さくすることができ、軽量化を図ることができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明に係るアブレータによれば、従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができる。また、本発明に係るアブレータによれば、軽量化を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るアブレータを備えるカプセルの概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示すカプセルの一部の断面図である。図３は、本実施の形態１に係るアブレータにおける外層アブレータの製造工程の一例を示した模式図である。図４は、本実施の形態１に係るアブレータの製造工程の一例を示した模式図である。

以下、本発明の実施の形態を具体的に例示する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
［アブレータの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアブレータを備えるカプセルの概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示すカプセルの一部の断面図である。なお、図１の破線は、カプセルのシェルの輪郭を示している。

図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係るアブレータ１００は、内層アブレータ１と、外層アブレータ２と、を備えていて、大気圏再突入用のカプセル１０１のシェル４の外面を覆うように配置されている。また、アブレータ１００は、シェル４に結合ピン５により取り付けられていて、アブレータ１００とシェル４との間には、断熱材３が設けられている。断熱材３としては、例えば、セラミック繊維等を用いることができる。なお、本実施の形態１においては、結合ピン５により、アブレータ１００をシェル４に取り付ける構成としたが、これに限定されず、ボルト等の締結具を用いて、アブレータ１００をシェル４に取り付ける構成を採用してもよい。

内層アブレータ１は、結合ピン５が嵌入される部分が、他の部分よりもその厚みが厚くなるように構成されている。また、内層アブレータ１は、第１樹脂が含浸した第１繊維から構成されていて、その密度が、１．０〜１．６ｇ／ｃｍ^３である。第１繊維としては、炭素繊維又はシリカ繊維等を用いることができる。また、第１繊維は、長繊維状又は布状の形態であることが好ましい。第１樹脂としては、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、又はエポキシ樹脂等を用いることができる。

外層アブレータ２は、第２樹脂が含浸した第２繊維から構成されていて、その密度が、内層アブレータ１の密度よりも小さく、具体的には、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３である。第２繊維としては、炭素繊維又はシリカ繊維等を用いることができる。また、第２繊維の形態としては、長繊維状、短繊維状、布状、又はフェルト状のいずれの形態であってもよい。また、第２樹脂としては、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、又はエポキシ樹脂等を用いることができる。

なお、第１繊維と第２繊維は、同じ種類の繊維を用いてもよく、異なる種類の繊維を用いてもよい。また、第１樹脂と第２樹脂は、外層アブレータ２と内層アブレータ１の接合を強化する観点から、同じ種類の樹脂を用いることが好ましく、フェノール樹脂を用いることがより好ましい。

［アブレータの製造方法］
図３は、本実施の形態１に係るアブレータにおける外層アブレータの製造工程の一例を示した模式図である。また、図４は、本実施の形態１に係るアブレータの製造工程、より詳しくは、内層アブレータと外層アブレータの接合工程の一例を示した模式図である。

まず、図３を参照しながら、本実施の形態１に係るアブレータ１００における外層アブレータ２の製造方法を説明する。

図３に示すように、外層アブレータ２に対応するプレス型１０２を用意し、例えば、フェルト状の第２繊維に第２樹脂を含浸させたプリプレグフェルト１０３を用意する。そして、プリプレグフェルト１０３を外層アブレータ２のプレス型１０２に配置して、ホットプレスすることで外層アブレータ２を作成する。なお、プリプレグフェルト１０３は、ホットプレス後の密度が、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３となるように、含浸させる第２樹脂の量及びプレスされる厚さを調整する。

次に、図４に示すように、外層アブレータ２の内面にプリプレグクロス１０５を配置する。このとき、プリプレグクロス１０５は、外層アブレータ２の内面に複数層貼り付けられる。これにより、外層アブレータ２とプリプレグクロス１０５の積層体１０６が形成される。なお、プリプレグクロス１０５は、第１繊維が布状に織り込まれたものに第１樹脂を含浸させたものであり、オートクレーブ後の密度が、外層アブレータ２の密度よりも高くなるように、具体的には、１．０〜１．６ｇ／ｃｍ^３となるように、含浸させる第１樹脂の量を調整する。

次に、外層アブレータ２とプリプレグクロス１０５の積層体１０６をオートクレーブでコキュア成形する。このとき、プリプレグクロス１０５に含まれる第１樹脂が、外層アブレータ２とプリプレグクロス１０５との間に滲み出て、硬化することにより、外層アブレータ２と内層アブレータ１が接合される。これにより、アブレータ１００が一体成型される。

このように、本実施の形態１に係るアブレータ１００では、外層アブレータ２の荷重を受け持つ構造部材としての役割を内層アブレータ１が行い、かつ、高密度アブレータを低密度アブレータの内側に配置することにより、アブレータ１００をカプセル等の機体構造に取り付ける際に、接着剤、ひいては、SIPを用いなくても取り付けることができる。このため、本実施の形態１に係るアブレータ１００では、従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができる。

また、本実施の形態１に係るアブレータ１００では、低密度アブレータが高密度アブレータよりも外側に配置されることにより、低密度アブレータの外側に高密度アブレータが配置される構造に比して、低密度アブレータが有する樹脂の熱分解等に伴う、気体の噴出が高密度アブレータによって妨げられないため、低密度アブレータの断熱性能をより発揮することができる。このため、本実施の形態１に係るアブレータ１００は、従来のアブレータに比して、より断熱性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態１に係るアブレータ１００では、接着剤の耐熱温度に制約されないので、外層アブレータ２の厚みを薄くすることができ、アブレータ１００を軽量化することができる。

なお、本実施の形態１においては、外層アブレータ２をホットプレスにより作成したが、これに限定されず、例えば、電気炉又はオートクレーブにより焼結することで作成してもよい。オートクレーブにより外層アブレータ２を作成する場合、オートクレーブ後の密度が、０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３となるように、含浸させる第２樹脂の量、及び／又は加圧する圧力を調整する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明のアブレータは、従来の低密度アブレータを備えるアブレータに比して、カプセル等の機体構造への取り付け作業効率を改善することができ、かつ、軽量化を図ることができるため、航空宇宙の分野で有用である。

１内層アブレータ
２外層アブレータ
３断熱材
４シェル
５結合ピン
１００アブレータ
１０１カプセル
１０２プレス型
１０３プリプレグフェルト
１０５プリプレグクロス
１０６積層体

Claims

第１樹脂が含浸した第１繊維からなる内層アブレータと、
第２樹脂が含浸した第２繊維からなり、前記内層アブレータよりも低密度の外層アブレータと、を備える、アブレータ。
前記外層アブレータの密度が０．２〜１．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１に記載のアブレータ。
前記内層アブレータの密度が１．０〜１．６ｇ／ｃｍ^３である、請求項１又は２に記載のアブレータ。
前記外層アブレータは、ホットプレス、焼結、又はオートクレーブにより作成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアブレータ。
前記内層アブレータは、第１繊維に第１樹脂を含浸させたプリプレグクロスから構成されており、
前記内層アブレータと前記外層アブレータはオートクレーブによりコキュア成形される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアブレータ。