JP2014189070A - 燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体 - Google Patents
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Abstract
【課題】品質管理における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することが可能な燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料タンクは、炭素繊維を含む補強材と、プラスチックを含むマトリックスとを有する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１５を用いた構造部材を備え、構造部材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１５のプリプレグ間に導電性シート１７が積層され成形されており、ボルト２０が締結される締結孔２２が形成されている。
【選択図】図７
【解決手段】燃料タンクは、炭素繊維を含む補強材と、プラスチックを含むマトリックスとを有する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１５を用いた構造部材を備え、構造部材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１５のプリプレグ間に導電性シート１７が積層され成形されており、ボルト２０が締結される締結孔２２が形成されている。
【選択図】図７
Description
本発明は、構造部材として炭素繊維強化プラスチックを用いた燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体に関するものである。
航空機の主翼は、燃料を収容することが可能な燃料タンクとして使用される場合がある。主翼と一体化し、翼構造を油が漏れない液密構造とした燃料タンクは、インテグラルタンクと呼ばれる。インテグラルタンクは、重量軽減を目的として、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が適用される傾向にある。ＣＦＲＰは、補強材として炭素繊維が用いられ、マトリックスとして合成樹脂が用いられる。
特許文献１では、３次元繊維強化樹脂複合材の発明であって、生産性を損なうことなく、繊維強化樹脂複合材に導電性を付与するため、耳糸が面内方向糸より導電性の高い導電性材料から構成される技術が開示されている。また、特許文献２では、プリプレグ及び炭素繊維強化複合材料の発明であって、優れた耐衝撃性と導電性とを兼ね備えることを目的として、導電性の粒子又は繊維を含ませる技術が開示されている。更に、特許文献３では、改良型複合材料の発明であって、導電性を有し、標準の複合材料と比較してほとんど又は全く重量増加させないことを目的として、高分子樹脂中に分散した導電性粒子を含ませる技術が開示されている。
ところで、航空機の燃料タンクにおいて、複数の材料同士を締結する場合、ボルトが用いられている。このとき、主翼への着雷時に、雷電流がボルト締結部を流れるとき、ボルトの締結孔と締結孔に挿入されたボルトの間でスパークが発生するおそれがある。従来、スパークの発生を防止するため、締結孔の孔径をボルト径よりも小さくする隙間ばめや、材料に形成した孔にスリーブを設置してボルトを締結するスリーブボルトが用いられている。また、ボルトと締結孔の隙間を埋めるため、ボルトにシーラントを塗布して孔にボルトを挿入する場合もある。
しかし、ボルトと材料との間の抵抗を小さくすることが重要であり、締結孔の孔径の品質がそのまま耐雷性能に直結するため、孔径の品質管理要求が厳しくなる。これにより、品質管理に掛かる時間やコストが増加する。
また、スリーブボルトを使用する場合は、スリーブが挿入される孔の周りの材料を破損させながらスリーブを取り付けることになるため、強度が通常のボルトを使用する場合よりも弱まる。また、スリーブによって重量が増加する。
また、スリーブボルトを使用する場合は、スリーブが挿入される孔の周りの材料を破損させながらスリーブを取り付けることになるため、強度が通常のボルトを使用する場合よりも弱まる。また、スリーブによって重量が増加する。
なお、上述した課題は、ＣＦＲＰ製の材料同士の締結だけでなく、ＣＦＲＰと金属材料との締結、金属材料同士の締結でも生じる。また、航空機の主翼と一体化したインテグラルタンクに限られず、燃料が流通する燃料電池の容器にも生じる。以下では、燃料電池の容器も燃料タンクに含めて説明する。また、燃料タンクを有する航空機の胴体、航空機以外の燃料タンクを搭載した自動車等の移動体にも同様の課題が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、品質管理における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することが可能な燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る燃料タンクは、炭素繊維を含む補強材と、プラスチックを含むマトリックスとを有する炭素繊維強化プラスチックを用いた構造部材を備え、前記構造部材は、前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグ間に導電性シートが積層され成形されており、ボルトが締結される締結孔が形成されている。
すなわち、本発明に係る燃料タンクは、炭素繊維を含む補強材と、プラスチックを含むマトリックスとを有する炭素繊維強化プラスチックを用いた構造部材を備え、前記構造部材は、前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグ間に導電性シートが積層され成形されており、ボルトが締結される締結孔が形成されている。
また、本発明に係る燃料タンクは、ボルトが締結される締結孔が形成された構造部材と、前記ボルトと前記締結孔との間に塗布された導電性が付与されているシーラントと、
を備える。
を備える。
また、本発明に係る主翼は、上記の燃料タンクを構造体とし、本発明に係る航空機胴体は、上記の燃料タンクを備える。本発明に係る航空機は、上記の主翼又は航空機胴体を備える。さらに、本発明に係る移動体は、上記の燃料タンクを備える。
本発明によれば、ボルトの締結部分において、ボルトと構造部材との間の抵抗が小さくなることから、ボルトの締結孔を形成する際の孔径の管理を簡略化でき、品質管理における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することができる。
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
まず、本実施形態に係る航空機の主翼１の構成について説明する。
主翼１は、図１及び図２に示すように、上側スキン３と、下側スキン５と、前側スパー７と、後側スパー９と、複数のリブ１１などを備える。
上側スキン３及び下側スキン５は、主翼１の外形を構成し、空力面も兼ねる薄板である。上側スキン３及び下側スキン５は、前側スパー７、後側スパー９及びストリンガ（図示せず。）と共に主翼１に作用する引っ張り荷重や、圧縮荷重の一部を受け持つ。
［第１実施形態］
まず、本実施形態に係る航空機の主翼１の構成について説明する。
主翼１は、図１及び図２に示すように、上側スキン３と、下側スキン５と、前側スパー７と、後側スパー９と、複数のリブ１１などを備える。
上側スキン３及び下側スキン５は、主翼１の外形を構成し、空力面も兼ねる薄板である。上側スキン３及び下側スキン５は、前側スパー７、後側スパー９及びストリンガ（図示せず。）と共に主翼１に作用する引っ張り荷重や、圧縮荷重の一部を受け持つ。
前側スパー７及び後側スパー９は、図１に示すように、主翼１の翼長方向に延設される構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５との間に配置される。複数のストリンガは、上側スキン３又は下側スキン５の内側面に主翼１の翼長方向に延設される補助部材であって、前側スパー７と後側スパー９との間に配置される。
リブ１１は、図１に示すように、主翼１の翼幅方向に設けられる構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５の間に配置される。すなわち、リブ１１は、前側スパー７及び後側スパー９と略直交する方向に延設される構造部材であって、主翼１の縦断面形状に形成された板状の部材である。リブ１１には、図１や図２に示すように、長手方向に複数の開口部１４が形成されている。
主翼１では、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３及び下側スキン５で囲まれた部分が燃料を収容する燃料タンク１３として用いられる。燃料タンク１３は、機体構造物自体が容器とされており、インテグラルタンク（integral tank）と呼ばれている。そして、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、燃料タンク１３の構造部材でもある。燃料タンク１３は、燃料が外部に漏れない液密構造を有する。
燃料タンク１３の内側には、燃料を燃料タンク１３へ供給する燃料配管（図示せず。）、燃料油量を検出する複数の燃料油量計（図示せず。）、及び燃料油量計の配線（図示せず。）などが設置される。
次に、燃料タンク１３の構造部材について説明する。
燃料タンク１３の構造部材、すなわち、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる。そして、燃料タンク１３に適用される本実施形態の構造部材は、製造時において、ＣＦＲＰ１５のプリプレグ間に導電性シート１７が積層されて成形される。したがって、構造部材は、図３に示すように、ＣＦＲＰ１５と導電性シート１７による積層構造を有する。
燃料タンク１３の構造部材、すなわち、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる。そして、燃料タンク１３に適用される本実施形態の構造部材は、製造時において、ＣＦＲＰ１５のプリプレグ間に導電性シート１７が積層されて成形される。したがって、構造部材は、図３に示すように、ＣＦＲＰ１５と導電性シート１７による積層構造を有する。
ＣＦＲＰ１５は、炭素繊維を含有する補強材と、プラスチックを含有するマトリックスなどからなる。なお、マトリックスは、導電性が付与されなくてもよいし、導電性が付与されてもよい。マトリックスに導電性が付与されている場合、ＣＦＲＰ１５自身も、導電性を有する。
マトリックスは、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチックを含む。マトリックスに導電性を付与する方法は、熱硬化性樹脂等のプラスチックに対して導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。マトリックスに導電性を付与する方法としては、例えば、プラスチック内に導電性の粒子又は繊維を含ませる方法や、プラスチックそのものに導電性を付与する方法などがある。
導電性シート１７は、シート状であって、電気抵抗の低い部材である。導電性シート１７は、金属製でもよいし、非金属製でもよい。金属製の導電性シート１７は、例えば、銅又はチタンなどであり、開口を有さない均一なシート状、開口を有するパンチングメタル状、又は、メッシュ状などである。非金属製の導電性シート１７は、例えば、炭素繊維などからなり、不織布又はガーゼのような平織りなどに形成されたものを含む。また、炭素繊維は、カーボンナノチューブを用いてもよい。
なお、導電性シート１７には、ＣＦＲＰ１５の炭素と接触することによって電池を形成する金属、例えば、ニッケルやアルミニウムを用いることは望ましくない。
なお、導電性シート１７には、ＣＦＲＰ１５の炭素と接触することによって電池を形成する金属、例えば、ニッケルやアルミニウムを用いることは望ましくない。
導電性シート１７は、構造部材の外部に設けられるスパーク場所、すなわち、雷電流が最終的に流れる場所と接続されている。
なお、図３では、リブ１１について示しているが、他の部材についても同様である。燃料タンク１３において、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１の全てを、ＣＦＲＰ１５を有する構造部材で形成しなくてもよく、部分的にアルミニウム合金等の金属で形成されてもよい。
燃料タンク１３のＣＦＲＰ１５と導電性シート１７による構造部材は、燃料が収容される燃料タンク１３の内部において、切削加工によって形成された切削面が露出している。例えば、図４に示すように、リブ１１がフランジ１１Ａとウェブ１１Ｂ等からなる場合、フランジ１１Ａの端部において、切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に露出する。
本実施形態では、ＣＦＲＰ１５を有する構造部材に、高い導電性を持つ導電性シート１７が挿入されていることから、図５に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流Ｃが構造部材を流れる際、雷電流Ｃが構造部材のうち導電性シート１７にも流れる。その結果、ＣＦＲＰ１５に流れ込む雷電流Ｃが減ることによって、構造部材の切削面１１ａにおいて、スパークが発生しにくい。
本実施形態と異なり、構造部材に導電性シート１７が挿入されていない場合、図６に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れる際、補強材の端部において、補強材間でスパークＤ（図６参照）が発生するおそれがある。従来、このスパーク対策として、図６に示すようにＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａにシーラント１２などを塗布し、発生した電流を内部に閉じ込める方法が採用されている。しかし、シーラント１２の塗布作業によって、燃料タンク１３の製造工程は、作業時間やコストが増加する。また、塗布されたシーラント１２によって、主翼１の重量が増える。
これに対して、本実施形態によれば、ＣＦＲＰ１５を有する構造部材に、高い導電性を持つ導電性シート１７が挿入されているため、切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に露出していたとしても、構造部材の切削面１１ａにおけるスパークの発生を防止できる。その結果、構造部材の表面又は切削面１１ａに塗布されるシーラントを不要としたり、シーラントの塗布方法を簡便化したりすることができる。したがって、燃料タンクの製造工程やシーラント塗布の品質管理について、作業時間やコストを低減できる。また、シーラント分の重量も削減が可能となる。
次に、図７を参照して、上述したＣＦＲＰ１５を有する構造部材と金属材料３０との締結構造について説明する。
ＣＦＲＰ１５を有する構造部材は、ボルト２０が締結される締結孔２２が形成されている。そして、ボルト２０には導電性を有する導電性シーラント２３が塗布されて、ボルト２０が締結孔２２に挿入される。その結果、ボルト２０と締結孔２２との間には導電性シーラント２３が設置される。
ＣＦＲＰ１５を有する構造部材と金属材料３０は、ボルト２０とナット２１によって締め付けられることによって、互いに強固に固定される。なお、導電性シーラント２３を製造する方法は、シーラントに導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。
ＣＦＲＰ１５を有する構造部材は、ボルト２０が締結される締結孔２２が形成されている。そして、ボルト２０には導電性を有する導電性シーラント２３が塗布されて、ボルト２０が締結孔２２に挿入される。その結果、ボルト２０と締結孔２２との間には導電性シーラント２３が設置される。
ＣＦＲＰ１５を有する構造部材と金属材料３０は、ボルト２０とナット２１によって締め付けられることによって、互いに強固に固定される。なお、導電性シーラント２３を製造する方法は、シーラントに導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。
このような締結構造では、ボルト２０と上述した導電性シート１７とが導電性シーラント２３を介して電気的に接触することによって、ボルト２０とＣＦＲＰ１５を有する構造部材との間の抵抗を小さくすることができ、着雷時のスパークの発生を低減又は防止できる。特に、締結孔２２にボルト２０の皿部分に対応した円錐状の開口が形成され、開口部分に導電性シート１７が位置するように構造部材が形成されている場合、ボルト２０と導電性シート１７の距離が互いに短くなる。この場合、確実にボルト２０とＣＦＲＰ１５を有する構造部材との間の抵抗を小さくできる。
また、導電性シーラント２３がボルト２０と締結孔２２との間に設置される場合に限定されず、ボルト２０と締結孔２２との間に導電性シーラント２３が設置されない領域が生じる場合もある。この場合、ボルト２０と上述した導電性シート１７とが物理的に接触することによって、ボルト２０とＣＦＲＰ１５を有する構造部材との間の抵抗を小さくすることができ、着雷時のスパークの発生を低減又は防止できる。
したがって、従来のように、隙間ばめのための孔径の形成が不要になり、ボルトの締結孔を形成する際の孔径の管理を簡略化でき、品質管理における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することができる。また、スリーブボルトの使用もしなくてよいため、強度低下がなく、同じ強度を確保しようとする場合、より軽量化を図ることができる。
また、導電性シーラント２３がボルト２０と締結孔２２との間に設置される場合に限定されず、ボルト２０と締結孔２２との間に導電性シーラント２３が設置されない領域が生じる場合もある。この場合、ボルト２０と上述した導電性シート１７とが物理的に接触することによって、ボルト２０とＣＦＲＰ１５を有する構造部材との間の抵抗を小さくすることができ、着雷時のスパークの発生を低減又は防止できる。
したがって、従来のように、隙間ばめのための孔径の形成が不要になり、ボルトの締結孔を形成する際の孔径の管理を簡略化でき、品質管理における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することができる。また、スリーブボルトの使用もしなくてよいため、強度低下がなく、同じ強度を確保しようとする場合、より軽量化を図ることができる。
次に、本発明の第１実施形態と、従来例のそれぞれについて、試験体を作成し、耐雷試験を実施した結果について説明する。
本試験では、導電性を有する導電性シート１７が積層されたＣＦＲＰを備える構造部材（本実施形態）と、導電性シート１７が積層されていないＣＦＲＰ（従来）とにおいて、試験体に大電流波形を印加してスパークが発生する電流値の違いを比較した。
耐雷試験の試験方法は、SAE internationalのAircraft Lightning Test Methods（ARP5416）のConducted Current Testの記載に従った。試験体に印加した大電流波形は、ARP5412Aに規定される雷模擬電流のコンポーネントＡ波形である。
本試験では、導電性を有する導電性シート１７が積層されたＣＦＲＰを備える構造部材（本実施形態）と、導電性シート１７が積層されていないＣＦＲＰ（従来）とにおいて、試験体に大電流波形を印加してスパークが発生する電流値の違いを比較した。
耐雷試験の試験方法は、SAE internationalのAircraft Lightning Test Methods（ARP5416）のConducted Current Testの記載に従った。試験体に印加した大電流波形は、ARP5412Aに規定される雷模擬電流のコンポーネントＡ波形である。
図８は、各試験体における相対スパーク発生電流［％］を示している。導電性シート１７の種類又は積層枚数の異なる複数の試験体に対して耐雷試験を実施した結果、図７に示す結果が得られた。図８では、導電性シートが積層されていないＣＦＲＰのスパーク発生電流値を100％としたときの各試験体のスパーク発生電流値を割合で示している。
導電性シート１７が積層されたＣＦＲＰを備える構造部材の試験体として、非金属製の導電性シート１７を１枚積層したもの、及び非金属製の導電性シート１７を４枚積層したものを用意した。
試験結果によれば、本実施形態に係る試験体は、相対スパーク発生電流が高くなり、導電性シート１７が積層されていないＣＦＲＰに比べて、着雷時の雷電流によるスパークの発生を抑制できることが確認された。
また、積層するシートの枚数が１枚、４枚のいずれの場合でも、相対スパーク発生電流がほぼ同値であり、少なくとも１枚の導電性シート１７がＣＦＲＰに積層されることによって、着雷時の雷電流によるスパークの発生を抑制できることが確認された。
試験結果によれば、本実施形態に係る試験体は、相対スパーク発生電流が高くなり、導電性シート１７が積層されていないＣＦＲＰに比べて、着雷時の雷電流によるスパークの発生を抑制できることが確認された。
また、積層するシートの枚数が１枚、４枚のいずれの場合でも、相対スパーク発生電流がほぼ同値であり、少なくとも１枚の導電性シート１７がＣＦＲＰに積層されることによって、着雷時の雷電流によるスパークの発生を抑制できることが確認された。
なお、上述した本発明の第１実施形態は、ＣＦＲＰと金属材料との締結において、ＣＦＲＰを有する構造部材に導電性シート１７を積層する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。すなわち、導電性シート１７が積層されたＣＦＲＰを用いずに、ボルト２０と締結孔２２との間に導電性シーラント２３を塗布するだけでもよい。この場合でも、ボルト２０と締結孔２２が形成された材料との間の抵抗を小さくすることができ、ボルト２０と締結孔２２との間に発生するスパークを防止できる。
また、上述した本発明の第１実施形態は、ＣＦＲＰと金属材料との締結による場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。すなわち、ＣＦＲＰ製の材料同士の締結にも適用できる。そして、ボルト２０と締結孔２２との間に導電性シーラント２３を塗布するという発明は、金属材料同士の締結の場合にも適用できる。
さらに、上述した実施形態は、航空機の主翼と一体化したインテグラルタンクと呼ばれる燃料タンク１３の場合について説明したが、本発明は、この例に限られない。例えば、燃料が流通する燃料電池の容器（燃料タンク）に用いられる構造部材にも適用できる。また、航空機の胴体に設置される燃料タンクの構造部材、航空機以外の自動車等の移動体に搭載される燃料タンクの構造部材にも適用可能である。
１ 主翼
３ 上側スキン
５ 下側スキン
７ 前側スパー
９ 後側スパー
１１ リブ
１１ａ 切削面
１１Ａ フランジ
１１Ｂ ウェブ
１２ シーラント
１３ 燃料タンク
１５ ＣＦＲＰ
１７ 導電性シート
３ 上側スキン
５ 下側スキン
７ 前側スパー
９ 後側スパー
１１ リブ
１１ａ 切削面
１１Ａ フランジ
１１Ｂ ウェブ
１２ シーラント
１３ 燃料タンク
１５ ＣＦＲＰ
１７ 導電性シート
Claims (6)
- 炭素繊維を含む補強材と、プラスチックを含むマトリックスとを有する炭素繊維強化プラスチックを用いた構造部材を備え、
前記構造部材は、前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグ間に導電性シートが積層され成形されており、ボルトが締結される締結孔が形成されている燃料タンク。 - ボルトが締結される締結孔が形成された構造部材と、
前記ボルトと前記締結孔との間に塗布された導電性が付与されているシーラントと、
を備える燃料タンク。 - 請求項１又は２に記載の燃料タンクを構造体とする主翼。
- 請求項１又は２に記載の燃料タンクを備える航空機胴体。
- 請求項３に記載の主翼、又は、請求項４に記載の航空機胴体を備える航空機。
- 請求項１又は２に記載の燃料タンクを備える移動体。
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