JP2015531043A - 軟化ストリップとの接合を有する複合材タンク及びそのタンクの製造方法 - Google Patents

軟化ストリップとの接合を有する複合材タンク及びそのタンクの製造方法 Download PDF

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Abstract

複合樹脂タンクは、接合部に沿ってドームに接合される壁を含む。軟化ストリップが接合部に位置付けられる。

Description

本開示は、一般に、低温に晒される複合構造体に関するものであり、特に、低温の推進剤などの液体を収容するために宇宙探査機及び打ち上げ用ロケットで使用されるタンクを扱う。
特定の構造体は、特に、低温環境で用いるように設計される場合がある。例えば、宇宙船及び打ち上げ用ロケットは、低温の、一般的には−２３８°Ｆ未満の固体推進剤又は液体水素及び／又は液体酸素などの液体燃料を蓄えるためにタンクを使用する場合がある。宇宙船又は打ち上げ用ロケットの重量を減らすために、タンクは、１つ以上の接合部によって互いに取り付けられる幾つかの複合部品から形成される場合がある。１つのそのような用途において、複合材タンクは、断面がＹ形状の結合重ね接合部によってドーム形状端部に接合されるスカートを有する円筒状の外壁を含む。
より大きい直径、例えばおおよそ１４〜１６フィートを超える直径の複合低温タンクにおいて、結合接合部における線負荷（line load）は、受け入れ難いほど高いレベルのピーク応力を接合部にもたらす場合があり、それにより、接合部漏れの可能性が与えられる。Ｙ接合部の強度を高めるために、接合部の切り欠き領域に軟化ストリップを配置することができる場合がある。軟化ストリップは、構造体間でより滑らかな負荷伝達を可能にすることにより結合線で生じる剪断応力ピークを減らすことができる。これは、ゴムなどの材料から形成される軟化ストリップを使用して周囲温度で達成され得るが、低温では、ゴム及び多くの他の従来の材料が軟らかいままでない場合があり、それどころか、硬くなる場合がある。低温で硬くなると、軟化ストリップは、接合部における剪断応力をもはや制御できない場合がある。
軟化ストリップとして使用されてもよい既知の材料は、低温環境で幾つかの他の問題を与える。例えば、そのような材料は、一般に、比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する接合部の他の複合構成要素と不適合な場合があるＣＴＥを有する。ＣＴＥのこの不適合は、低温において、望ましくない熱的に誘導される応力を接合部にもたらす場合がある。効果的な軟化ストリップを形成するという課題に加えて、軟化ストリップは、タンクの他の複合樹脂構成要素が熱的に硬化される温度で安定したままでなければならないという事実がある。また、軟化ストリップを特定の接合用途に特有の形状へと機械加工できることが望ましい。
したがって、結合されたタンク接合部におけるピーク応力に起因する漏れに晒されない大径タンクなどの複合構造体の必要性がある。また、ピーク応力を減少させることができるとともに低温で依然として有効なままである軟化ストリップをタンク接合部で使用して複合材タンクを形成する方法の必要性がある。
開示された実施形態は、低温環境で用いるのに適したタンクなどの複合構造体を提供する。タンクは、低温の推進剤などの液体を収容するために宇宙探査機及び打ち上げ用ロケットで使用されてもよい。タンクは、結合重ね接合部によってドーム状の端部に取り付けられる円筒状のタンク壁を含んでもよい。実施形態は、接合部におけるピーク応力を減少させるために接合部のそれぞれに位置付けられる軟化ストリップを含む。軟化ストリップは、低温において軟らかいまま、柔軟なまま、順応性を持ったままである。軟化ストリップは、接合部を通じた線負荷の伝達によって引き起こされる接合部における応力を線形化するとともに、タンク壁及びドームで使用される熱硬化性樹脂が硬化される温度で安定したままである。
一の開示された実施形態によれば、タンクは、複合材タンク壁と、複合材タンクドームと、壁とタンクドームとの間の接合部とを備える。タンクは、タンクとドームとの間の接合部における軟化ストリップを更に備える。接合部はＹ接合部であり、また、軟化ストリップは、断面が楔形状であるとともに、Ｙ接合部における応力を制御するためにタンク壁とタンクドームとに対して結合される。軟化ストリップは、プラスチックバインダでコーティングされる繊維を有する三次元基布を含む。三次元基布は、織り繊維、編組繊維、及び、積み重ねられた繊維層のうちの１つを含み、また、繊維はグラファイト繊維であってもよい。繊維は３つの略直交軸に沿って延びる。１つの用途において、繊維は、約２〜１５ミクロンの範囲内の直径を有する。プラスチックバインダは、室温及び低温の両方で順応性がある高分子である。プラスチックバインダは、約−１５０°Ｆ未満の温度で弾性的順応性を示すとともに最大約４００°Ｆの温度で安定性を示すフッ素重合体であってもよい。三次元基布は多孔質であり、また、繊維及びプラスチックバインダは室温及び低温の両方で柔軟である。
他の実施形態によれば、宇宙船打ち上げ用ロケットが提供される。打ち上げ用ロケットは、略円筒状の壁と少なくとも１つの第１のドームとを有する複合樹脂タンクを備える。壁は、接合部に沿ってドームに接合される。接合部におけるピーク剪断応力を減少させるために軟化ストリップが接合部内に位置付けられる。軟化ストリップは、三次元で配置される繊維を有する基布と、低温で柔軟である熱可塑性物質の繊維上のコーティングとを含む。基布は多孔質であり、また、繊維は低温で柔軟である。壁及びドームのそれぞれは、硬化温度を有する熱硬化性樹脂から形成され、また、熱可塑性物質は、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点を有する。熱可塑性物質はフッ素化エチレンプロピレンであってもよい。繊維は、柔軟であるとともに、低温で互いに対して移動できる。
更なる他の実施形態によれば、低温に晒されるタンクを形成する方法が提供される。方法は、複合樹脂壁及び少なくとも１つの複合樹脂ドームをレイアップするステップと、接合部に沿って壁をドームに結合するステップと、軟化ストリップを形成するステップと、壁とドームとの間の接合部に軟化ストリップを配置することによって接合部におけるピーク応力を減少させるステップとを備える。軟化ストリップを形成する前記ステップは、基布を用意するステップと、低温において柔軟である熱可塑性バインダで基布をコーティングするステップとを含む。基布をコーティングするステップは、熱可塑性バインダを含む水溶液中に基布を浸漬するとともに基布を乾燥させることによって行なわれる。基布をコーティングする前記ステップは、浸漬された基布を真空に晒すことによって水溶液から気泡を除去するステップを更に含む。基布をコーティングする前記ステップは、熱可塑性バインダを溶解させるステップを更に含む。軟化ストリップを形成する前記ステップは、コーティングされた基布を機械的に加工するステップを更に含んでもよい。コーティングされた基布を機械的に加工する前記ステップが冷間加工プロセスによって行なわれてもよい。接合部に軟化ストリップを配置する前記ステップは、軟化ストリップを複合樹脂壁と複合樹脂ドームとに対して結合するステップを含む。方法は、複合樹脂壁、複合樹脂ドーム、及び、軟化ストリップを同時結合させるステップを備えてもよい。
本開示の一態様によれば、複合材タンク壁と、複合材タンクドームと、壁とタンクドームとの間の接合部と、タンクとドームとの間の接合部における軟化ストリップとを備えるタンクが提供される。好適には、接合部はＹ接合部であり、また、軟化ストリップは、断面が楔形状であるとともに、Ｙ接合部における応力を制御するためにタンク壁とタンクドームとに対して結合される。好適には、軟化ストリップは、プラスチックバインダでコーティングされる柔軟な繊維を有する三次元基布を含む。好ましくは、繊維が織りカーボン繊維である。好ましくは、繊維は、３つの略直交軸に沿って延びる繊維を含む。好ましくは、繊維は、約２〜１５ミクロンの範囲内の直径を有する繊維を含む。好ましくは、プラスチックバインダは、室温及び低温の両方で順応性がある高分子である。好ましくは、プラスチックバインダは、約−１５０°Ｆ未満の温度で弾性的順応性を示すとともに最大約４００°Ｆの温度で安定性を示すフッ素重合体である。好ましくは、三次元基布は多孔質であり、また、繊維及びプラスチックバインダは室温及び低温の両方で柔軟である。
本開示の一態様によれば、略円筒状の壁と少なくとも１つの第１のドームとを有する複合樹脂タンクと、それに沿って円筒状の壁がドームに接合される接合部と、接合部におけるピーク剪断応力を減少させるために接合部内にある軟化ストリップとを備える宇宙船打ち上げ用ロケットが提供される。好適には、軟化ストリップは、三次元で配置される繊維を有する基布と、低温で柔軟である熱可塑性物質の繊維上のコーティングとを含む。好ましくは、基布は多孔質であり、また、繊維は低温で柔軟である。好ましくは、壁及びドームは、硬化温度を有する熱硬化性樹脂から形成され、また、熱可塑性物質は、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点を有する。好ましくは、熱可塑性物質はフッ素化エチレンプロピレンである。好ましくは、繊維は、柔軟であるとともに、低温で互いに対して移動できる。
本開示の一態様によれば、低温に晒されるタンクを形成する方法が提供され、該方法は、複合樹脂壁及び少なくとも１つの複合樹脂ドームをレイアップするステップと、接合部に沿って壁をドームに結合するステップと、軟化ストリップを形成するステップと、壁とドームとの間の接合部に軟化ストリップを配置することによって接合部におけるピーク応力を減少させるステップとを備える。好適には、軟化ストリップを形成する前記ステップは、柔軟な繊維を有する三次元基布を用意するステップと、低温において柔軟である熱可塑性バインダで柔軟な繊維をコーティングするステップとを含む。好適には、繊維をコーティングするステップは、熱可塑性バインダを含む水溶液中に基布を浸漬するとともに基布を乾燥させることによって行なわれる。好ましくは、繊維をコーティングする前記ステップは、水溶液から気泡を除去するステップを更に含む。好ましくは、気泡を除去する前記ステップは、浸漬された基布を真空に晒すことによって行なわれる。好ましくは、繊維をコーティングする前記ステップは、熱可塑性バインダを溶解させるステップを更に含む。好ましくは、軟化ストリップを形成する前記ステップは、繊維を弛緩させるようにコーティングされた基布を機械的に加工するステップを更に含む。好ましくは、コーティングされた基布を機械的に加工する前記ステップが冷間加工プロセスによって行なわれる。好適には、接合部に軟化ストリップを配置する前記ステップは、軟化ストリップを複合樹脂壁と複合樹脂ドームとに対して結合するステップを含む。好適には、方法は、複合樹脂壁、複合樹脂ドーム、及び、軟化ストリップを同時結合させるステップを更に含む。
特徴、機能、及び、利点は、本開示の様々な実施形態において独立に達成することができ、あるいは、更なる他の実施形態において組み合わされてもよく、その更なる詳細は以下の説明及び図面と関連して分かる。
開示された実施形態の特徴であると確信される新規な特徴が添付の特許請求の範囲に記載される。しかしながら、開示された実施形態、並びに、使用の好ましい形態、その更なる目的及び利点は、本開示の実施形態の以下の詳細な説明を添付図面と併せて読んで参照することにより最も良く理解され得る。
一実施形態が実施されてもよい宇宙船の製造及び保守点検方法を示す図の例示である。 実施形態が実施されてもよい宇宙船の図の例示である。 開示された実施形態に係る宇宙船を示す図の例示である。 開示された実施形態に係る宇宙船の図の例示である。 開示された実施形態に係る打ち上げ用ロケットの断面部の図の例示である。 開示された実施形態に係る接合部の図の例示である。 開示された実施形態に係る軟化ストリップを示す図の例示である。 開示された実施形態に係る三次元プリフォームを示す図の例示である。 開示された実施形態に係る軟化ストリップを示す図の例示である。 開示された実施形態にしたがって構造体にＹ接合部を形成するためのプロセスのフローチャートの例示である。 開示された実施形態にしたがってタンクのためのＹ接合部を形成するためのプロセスのフローチャートの例示である。 開示された実施形態にしたがって複合低温タンクと複合スカートとの間にＹ接合部を形成するためのプロセスのフローチャートの例示である。 開示された実施形態にしたがって軟化ストリップを形成するためのプロセスのフローチャートの例示である。 プラスチックバインダがコーティングされた繊維を有する三次元基布プリフォームの代わりの実施形態の斜視図の例示であり、明確にするために交差する繊維の特定の部分が拡大されている。 図１４の線１５−１５に沿ってとられた断面図の例示である。 プラスチックバインダがコーティングされる前の基布プリフォームの一部を形成する交差する繊維の斜視図の例示である。 図１６に類似するが、プラスチックバインダがコーティングされた後の繊維を示す例示であり、破線は、接合負荷によって引き起こされるコーティング繊維の変位部分を示す。 図３、図５、図６に示されるＹ接合部のその長さに沿う剪断応力のグラフの例示である。 図１４に示される基布プリフォームを使用して軟化ストリップを形成する方法のフロー図の例示である。 基布プリフォームがロール成形機に通される概略図の例示である。 基布プリフォームが２つの金型間で成形される側面図の例示である。 低温環境で使用されるタンクを形成する方法のフロー図の例示である。
特に図面を参照すると、図１に示される宇宙船の製造及び保守点検方法１００及び図２に示される宇宙船２００との関連で、開示の実施形態が説明されてもよい。最初に図１を参照すると、宇宙船の製造及び保守点検方法を示す図が１つの開示された実施形態にしたがって描かれる。
生産前の間にわたって、典型的な宇宙船の製造及び保守点検方法１００は、図２における宇宙船２００の仕様及び設計１０２と、材料調達１０４とを含んでもよい。生産中、図２における宇宙船２００の構成要素及び部分組立品の製造１０６とシステム統合１０８とが行なわれる。その後、図２における宇宙船２００は、就航１１２するために認証及び搬送１１０を経由してもよい。取引先による就航中、図２における宇宙船２００は、変更、再構成、改修、及び、他の整備又は保守点検を含んでもよい定期的な整備及び保守点検１１４の予定が組まれる。
宇宙船の製造及び保守点検方法１００のプロセスのそれぞれは、システム統合者、第三者、及び／又は、オペレータによって実行されあるいは行なわれてもよい。これらの例において、オペレータは取引先であってもよい。この説明の目的のため、システム統合者は、これに制限されることはないが、任意の数の宇宙船製造業者及び主要システム下請業者を含んでもよく、第三者は、例えば、これに制限されることはないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び、サプライヤーを含んでもよく、また、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事企業、保守点検機関などであってもよい。
ここで図２を参照すると、実施形態が実施されてもよい宇宙船の図が描かれる。この例において、宇宙船２００は、図１における宇宙船の製造及び保守点検方法１００によって生産されてもよい。宇宙船２００は、複数のシステム２０４及び内部２０６を有する構造体２０２を含んでもよい。システム２０４の例は、例えば、これに制限されることはないが、推進システム２０８、電気システム２１０、油圧システム２１２、及び、環境システム２１４のうちの１つ以上を含む。任意の数のシステムが含まれてもよい。また、幾つかの実施では、システムのうちの一部が必要とされなくてもよい。例えば、宇宙船２００が打ち上げ用ロケットの形態をとるときには、環境システム２１４が不要であってもよい。
本明細書中に具現化される装置及び方法は、図１における宇宙船の製造及び保守点検方法１００の段階のうちの任意の段階中に使用されてもよい。例えば、図１における構成要素及び部分組立品の製造１０６において生産される構成要素又は部分組立品は、宇宙船２００が図１における就航中１１２の間に生産される構成要素又は部分組立品と同様の態様で作られあるいは製造されてもよい。
また、１つ以上の装置実施形態、方法実施形態、又は、これらの組み合わせは、一例として、これに制限されることはないが、図１における構成要素及び部分組立品の製造１０６並びにシステム統合１０８などの生産段階中に利用されてもよい。これらの実施形態は、宇宙船２００の組み立てをかなり促進させることができ、あるいは、宇宙船２００のコストを低減することができる。
これらの例において、実施形態は、推進システム２０８の構成要素を宇宙船２００の構造体２０２に対して取り付けるために実施されてもよい。宇宙船２００内の任意の構造体を他の実施における任意の他の構造体に対して取り付けるために異なる実施形態が適用されてもよい。
異なる実施形態は、宇宙船の構造体と推進剤を収容するタンクとの間の現在利用できる接合部の強度を様々な力に対して現在のレベルを超えて高めることが望ましい場合があることを考慮に入れる。接合部に作用する力は、例えば、これに制限されることはないが、宇宙船の構造体とタンクとの間の接合部における剪断力を含む。現在のタンクは、一般に溶接接合部を使用する金属タンクであってもよい。これらの例では、接合部がＹ接合部の形態を成してもよい。金属タンクに優る軽量化を図るために複合材タンクが使用されてもよい。しかしながら、これらのタイプの複合材タンクを用いると、現在利用できるＹ接合の構造及び技術によって高い強度を有するＹ接合部を成し得ない場合がある。
異なる実施形態は、２つの構造体間の結合されたＹ接合部の強度を高めるために軟化ストリップを使用してもよい。例えば、これに制限されることはないが、現在利用できる大型の固体ロケットモータは、Ｙ接合部にゴム軟化ストリップを使用してもよい。異なる実施形態は、異なる動作温度のために使用できてもよい軟化ストリップに適した材料を見出すことが困難な場合があることを考慮に入れて認識する。低温タンクを用いると、これらの温度は、例えば、これに制限されることはないが、−２３８°Ｆ未満の温度など、非常に低い温度となる場合がある。これらの温度は、極低温と称される場合もある。
異なる実施形態は、適した材料が異なる動作温度において軟質であり続ける場合があることを認識する。固体ロケットモータで現在使用されるようなゴム材料は、低温で使用できない場合がある。これは、これらの材料が非常に硬くなる場合があるからである。必要とされる材料は、低温の状態で被接着体に対して柔軟なままであり続けることができる。被接着体は、接着物質を用いて他の物体に取り付けられる物体であってもよい。
また、異なる実施形態は、熱的に誘導される応力による接合部破損を防止するべく適合され得るあるいは被接着体の幾つかの閾値限界内にある熱膨張係数を軟化ストリップが有してもよいことも考慮に入れて認識する。
したがって、異なる実施形態は、例えば、これに制限されることはないが、Ｙ接合部などの接合部を補強するあるいは形成するための方法及び装置を提供する。異なる実施形態では、三次元プリフォームが存在してもよく、この場合、軟化ストリップを形成するためにプラスチックマトリックスが三次元プリフォーム中に含浸される。この軟化ストリップは、材料が液体形体を有する温度において柔軟であり続けることができてもよく、この場合、材料は、周囲温度で気体形態を有する。言い換えると、異なる実施形態は、気体が液体状態又は液体形態を有する温度で使用されてもよい。一例として、これに制限されることはないが、軟化ストリップは、低温において柔軟であり続けることができてもよい。低温は、空気の構成成分が液化し得る温度であってもよい。低温は、例えば、約−１５０℃未満の温度であってもよい。
ここで図３を参照すると、宇宙船を示す図が他の実施形態にしたがって描かれる。宇宙船３００は、図２における宇宙船２００の一例である。この例では、宇宙船３００が構造体３０２と構造体３０４とを含んでもよい。構造体３０２は、宇宙船３００における他の構成要素のためのフレーム又は他の支持体を与える宇宙船の構造体であってもよい。構造体３０４は、この例では、例えば、これに制限されることはないが、タンク３０６であってもよい。当然ながら、構造体３０４は、構造体３０２に取り付けられるようになっている宇宙船３００内に位置付けられてもよい任意の他の構成要素であってもよい。
構造体３０２の表面３０８は、接合部３１２を形成するように構造体３０４の表面３１０に取り付けられてもよい。これらの例では、接合部３１２がＹ接合部３１４の形態を成してもよい。この取付は、これらの例では、表面３０８を表面３１０に対して結合することによって行なわれてもよい。結合は、構成要素又は構造体を互いに締結するためのプロセスであってもよい。これらの例では、結合が多くの異なる方法で行なわれてもよい。結合は、例えば、これに制限されることはないが、接着剤、溶接、締結具、硬化プロセス、又は、何らかの他の適したプロセスを使用することを含んでもよい。
異なる実施形態は、例えば、これに制限されることはないが、１つの接合部への最も短くて最も硬質な負荷経路付近で負荷がピークに達した後に更に長くて更に軟らかい負荷経路へ向けて負荷が低下する接合部などの任意のタイプの構造的接合部に適用されてもよい。広範囲に及ぶ剪断支持重ね接合部は、該接合部の縁部で、縁部から離れた場所よりも迅速に負荷を伝える傾向がある。この状況は、利用できる負荷経路の剛比に比例する構造体にわたる負荷分布の結果である。
同じ断面積であるとすると、短い負荷経路は、長い負荷経路よりも硬質となり得る。この状況は、剪断ピークの良く知られた現象を接合部の縁部にもたらし得る。更なる柔軟な負荷経路をそのような接合部の始まりの外側に形成できる場合には、全負荷の一部をこの更なる経路を通じて伝えることができ、それにより、当初の接合部によって支持されるべき負荷を減らすことができるとともに、剪断ピークを下げることができる。これは、軟化ストリップの特徴となり得る。
幾つかの接合部における改良は、負荷が当初の接合部に近づくにつれて二次的な負荷経路の剛性が連続的に増大され得るように軟化ストリップを先細らせるようになっていてもよい。この特徴は、一貫した低いレベルで接合部にわたる剪断のより均一な伝達をもたらし得る。この伝達は、単純な重ね接合部の急にピークに達する剪断特性、又は、均一な厚さの軟化ストリップを使用することによりもたらされ得る２つのより穏やかな剪断ピークの代わりに起こり得る。
この描かれた例において、ストリップ３１６は、接合部３１２の及び／又はその近傍の表面３０８及び表面３１０に取り付けられてもよい。ストリップ３１６は、接合部３１２に加えられ得る力に対する接合部３１２の強度を高めるための軟化ストリップとして作用してもよい。これらの力は、例えば、これに制限されることはないが、構造体３０２、３０４に作用する剪断力を含んでもよい。これらの例において、剪断力は、線３１８の方向で構造体３０２、３０４に加えられる力であってもよい。
異なる実施形態において、ストリップ３１６は、三次元プリフォーム３２０とプラスチックマトリックス３２２とを含んでもよい。三次元プリフォーム３２０は、三次元構造体であってもよく、また、三次元基布３２４の形態を成してもよい。この基布は、例えば、これに制限されることはないが、織り繊維、編組繊維、積み重ねられた繊維層、及び／又は、何らかの他の適した材料のうちの１つから構成される基布であってもよい。繊維が使用される場合、これらの繊維は、例えば、これに制限されることはないが、グラファイト繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維、又は、任意の他の適した構造繊維を含んでもよい。
本明細書中で使用される「のうちの少なくとも１つ」なる表現は、項目のリストと共に使用される場合、項目のうちの１つ以上の異なる組み合わせが使用されてもよいこと、及び、リスト中の各項目のうちの１つだけが必要とされてもよいことを意味する。例えば、「項目Ａ、項目Ｂ、及び、項目Ｃのうちの少なくとも１つ」は、例えば、これに制限されることはないが、項目Ａ、又は、項目Ａ及び項目Ｂを含んでもよい。また、この例は、項目Ａ、項目Ｂ、及び、項目Ｃ、又は、項目Ｂ及び項目Ｃを含んでもよい。
プラスチックマトリックス３２２は、タンク３０６のための動作温度で柔軟性を保つあるいは与えることができる任意のプラスチック材料から構成されてもよい。タンク３０６のための動作温度は、低温の温度又は低温付近の温度であってもよい。これらの例において、プラスチックは、任意の合成又は半合成の重合材料又は生成物であってもよい。重合は、線状鎖又は高分子鎖の三次元網目構造を形成するためにモノマー分子を化学反応で互いに反応させるプロセスであってもよい。使用されてもよいプラスチックのタイプの例は、例えば、これに制限されることはないが、フルオロカーボン及びウレタンを含む。使用されてもよいフルオロカーボンの１つの例はテフロン（登録商標）ポリマーである。テフロン（登録商標）はデュポン社の登録商標である
このようにして、タンク３０６は、ストリップ３１６が存在してもよい形成されるべき接合部３１２を用いて、構造体３０２に取り付けられてもよい。ストリップ３１６の使用は、例えばこれに制限されることはないが、構造体３０４及びタンク３０６に加えられ得る剪断力などの様々な力に耐えるべく強度を付加するために、更なる補強を与えてもよい。
図３における宇宙船３００の例示は、様々な実施形態のための１つの実施を示すために与えられる。この例示は、異なる実施形態が実施されてもよい態様に対する構造的又は物理的な限定を示唆しようとするものではない。例えば、構造体３０２及び構造体３０４は、宇宙船３００以外の他の車両内の構造であってもよい。例えば、構造体は、航空機に存在するものであってもよい。他の実施形態において、宇宙船３００は、例えば、これに制限されることはないが、シャトル、打ち上げ用ロケット、スペースシャトルと打ち上げ用ロケットとの組み合わせ、又は、宇宙飛行が可能な何らかの他の適した車両などの宇宙船の形態を成してもよい。
ここで、図４を参照すると、宇宙船の図が一実施形態にしたがって描かれる。この例において、打ち上げ用ロケット４００は、図３の宇宙船３００の１つの実施の一例である。打ち上げ用ロケット４００は前部４０２と後部４０４とを有する。打ち上げ用ロケット４００が長手方向軸４０６を有してもよい。打ち上げ用ロケット４００は、図３のＹ接合部３１４が実施されてもよい宇宙船の一例である。部分４０８は、Ｙ接合部３１４が見出され及び／又は実施されてもよい打ち上げ用ロケット４００の部分の一例であってもよい。
ここで、図５を参照すると、打ち上げ用ロケットの断面部の図が一実施形態にしたがって描かれる。この図では、長手方向軸４０６に沿う打ち上げ用ロケット４００の部分４０８の断面が描かれる。
この例において、矢印５０１は、打ち上げ用ロケット４００の前部の方を向いており、一方、矢印５０３は、打ち上げ用ロケット４００の後部へ向いている。
この図示の例において、打ち上げ用ロケット４００内のタンク５０４は、ドーム５０６、ドーム５０８、及び、壁５１０を含んでもよい。これらの例では、壁５１０が円筒状の壁であってもよい。壁５１０は、前部スカート５１２及び後部スカート５１４に取り付けられてもよい。壁５１０は、前部スカート５１２と後部スカート５１４との間に位置付けられてもよい。この例では、壁５１０がタンク５０４の加圧される部分であってもよく、一方、前部スカート５１２及び後部スカート５１４がタンク５０４の加圧されない部分に位置付けられてもよい。
前部スカート５１２及び後部スカート５１４は、タンク５０４が取り付けられてもよい構造体の例である。これらの例において、これらの異なる構造体は、その断面のみを図５で見ることができる円筒形状であってもよい。この描かれた例では、Ｙ接合部５２０及びＹ接合部５２２が存在してもよい。Ｙ接合部５２０は、ドーム５０６、壁５１０、及び、前部スカート５１２の交わりにより形成されてもよい。Ｙ接合部５２２は、ドーム５０８、壁５１０、及び、後部スカート５１４の交わりにより形成されてもよい。これらの例において、Ｙ接合部５２０及びＹ接合部５２２は、軸５２４を中心とする周方向で連続していてもよい。
これらの例では、タンク５０４が複合低温タンクの形態を成してもよい。タンク５０４は、例えば、これに制限されることはないが、液体水素及び／又は液体酸素などの推進剤を保持してもよい。この例では、タンク５０４が液体水素を保持してもよい。この例において、タンク５０４は、直径が約１６フィートより大きくてもよい。Ｙ接合部５２０の断面５３０における更に詳しい例示が以下の図６に示される。
ここで、図６を参照すると、接合部の図が更なる実施形態にしたがって描かれる。断面５３０で示されるように、前部スカート５１２は、外側スキン６００、コア６０２、及び、内側スキン６０４を含んでもよい。この例では、外側スキン６００及び内側スキン６０４がフェースシートであってもよく、その場合、コア６０２がこれらのフェースシート間に位置付けられる。コア６０２は低密度構造要素であってもよい。コア６０２は、幾つかある用途の中で特に、外側スキン６００と内側スキン６０４との間で負荷を伝えるために使用されてもよい。コア６０２は様々な形態を成してもよい。例えば、コア６０２は、溝（ｆｌｕｔｅｓ）、ハニカム、又は、他の適した形態を有してもよい。これらの例では、溝付きの構造がコア６０２にとって望ましい構造かもしれない。
これらの例示的な例において、Ｙ接合部５２０は、ドーム５０６、壁５１０、及び、前部スカート５１２の交差部に形成されてもよい。Ｙ接合部５２０は、Ｙ接合部５２０にあるいはその近傍に位置付けられる軟化ストリップ６０６を有してもよい。軟化ストリップ６０６は、内側スキン６０４及びタンク５０４に結合されてもよい。
異なる実施形態において、軟化ストリップ６０６は、タンク５０４に対する内側スキン６０４の結合と共に同時に内側スキン６０４及びタンク５０４に結合されてもよい。言い換えると、これらの異なる構成要素は、互いに同時に一緒に結合されてもよい。これらの例では、同時結合が１つ以上の硬化プロセスの形態を成してもよく、該プロセスでは、これらの構成要素を互いに結合するために、軟化ストリップ６０６、内側スキン６０４、及び、タンク５０４における複合成分が硬化されてもよい。
タンク５０４の例示は、異なる実施形態が実施されてもよい１つの態様を描く目的で与えられる。軟化ストリップ６０６は、異なる実施形態では、他のタンク及び／又はスカート構造に対して適用されてもよい。例えば、タンク５０４が円筒壁を伴って示されるが、他のタンク形態が使用されてもよい。一例として、壁５１０に関して円錐壁が使用されてもよい。また、他のタンクが常に対称である必要はない。タンク５０４の構造又は形状にかかわらず、Ｙ接合部が使用されてもよい。
ここで、図７を参照すると、軟化ストリップを例示する図が一実施形態にしたがって描かれる。例示された例では、軟化ストリップ６０６が斜視図で示される。この例における軟化ストリップ６０６の例示は、軟化ストリップ６０６の一部にすぎない。軟化ストリップ６０６は、壁５１０の外周を辿るように形状が円形であってもよい。軟化ストリップ６０６の寸法は、特定の実施に応じて変化してもよい。この例において、軟化ストリップ６０６の端部７００は、部分７０８において約０．２インチの厚さを有してもよい。これらの例において、端部７０２は、Ｙ接合部５２０における応力集中部の導入を避けるために、実行可能な限り薄い厚さを有してもよい。これらの例示的な例において、端部７０２の厚さは、製造及び／又は取り扱いの容易さに基づき、実行可能な限り薄くてもよい。
Ｙ接合部５２０における軟化ストリップ６０６の使用に関して、軟化ストリップ６０６は、部分７１０に示されるように、端部７００から端部７０２まで約４インチの長さを有してもよい。また、これらの例では、軟化ストリップ６０６がタンク５０４の全周にわたって延伸してもよい。軟化ストリップ６０６の他の寸法は、特定の実施に応じて変化してもよい。当然ながら、軟化ストリップ６０６は、構造体間の接合部におけるＹ部分内又は他の空間内に配置されるために必要な任意の寸法を有してもよい。軟化ストリップ６０６に関して一定の及び／又は均一な断面が示されるが、接合部の構成に応じて断面が異なってもよい。
軟化ストリップ６０６は、図６に示されるようにＹ接合部５２０内に嵌まる態様で形成されてもよい。この例において、軟化ストリップ６０６は、軟化ストリップ６０６が端部７０２におけるよりも端部７００において厚くなる楔形状を有してもよい。
軟化ストリップ６０６の側７０５にある接合面７０４は、図６における内側スキン６０４に結合されてもよく、また、軟化ストリップ６０６の側７０７にある接合面７０６は、図５におけるタンク５０４に結合されてもよい。軟化ストリップ６０６は、図６に示されるようにＹ接合部５２０を形成する他の構成要素と共に同時結合されてもよい。
ここで、図８を参照すると、三次元プリフォームの図が一実施形態にしたがって描かれる。プリフォーム８００は、図３における三次元プリフォーム３２０の一例である。
図示の例において、プリフォーム８００は、織られた三次元のグラファイト繊維プリフォームであってもよい。当然ながら、プリフォーム８００に関して他のタイプの材料及び他のタイプの構造が使用されてもよい。プリフォーム８００において使用されてもよい材料の他の例は、例えば、これに制限されることはないが、ガラス繊維、ホウ素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、及び、他の適した材料を含む。プリフォーム８００は、編組繊維、又は、積み重ねられたあるいは層状の基布から形成されてもよい。基布材料の積層体は、その後、圧力を伴うオートクレーブ内の基布の積層体中へピンが挿入されて押し込められるｚ−ピン止めを使用してまとめて保持されてもよい。他の例において、プリフォーム８００のための基布材料は、矢印８０２により示されるように三次元で互いに縫い合わされてもよい。
ここで、図９を参照すると、軟化ストリップを例示する図が一実施形態にしたがって描かれる。この例では、プリフォーム８００にプラスチックマトリックス９００が注入されてしまっている。プラスチックマトリックス９００中のプラスチック材料は、プラスチックマトリックス９００をプリフォーム８００中へ配置するのに適した任意の方法又はプロセスを使用してプリフォーム８００中へ配置されてもよい。
これらの例において、プラスチックマトリックス９００は、通常はその材料が周囲温度で気体形態を成し得るときに該材料が液体形態を成し得る温度で柔軟性を維持できる任意のプラスチック材料であってもよい。これらの例において、周囲温度は、宇宙船の周囲の環境の温度であってもよい。言い換えると、周囲温度は、宇宙船が地上にあるときには、宇宙船の周囲の空気中の温度であってもよい。
プリフォーム８００とプラスチックマトリックス９００とのこの組み合わせが軟化ストリップ９０２を形成する。軟化ストリップ９０２は、その後、例えばＹ接合部で用いる図６における軟化ストリップ６０６のような何らかの他の適した形状形態に機械加工され、切断され、及び／又は、成形されてもよい。
プリフォーム８００は、軟化ストリップ９０２が高い膨張係数と関連付けられてもよい過度な熱収縮を起こさないように抑制してもよい。これらの高い膨張係数は、低温において柔軟であり続けることができるプラスチックマトリックス９００のための材料などの軟化ストリップマトリックス材料に特有である。任意の方向での過度な収縮は、軟化ストリップ９０２と任意の隣接する構造体との間の結合線に、熱的に誘導される応力をもたらす場合がある。結果として、軟化ストリップ９０２は、二次元的な補強ではなく三次元的な補強を与えるようにプリフォーム８００を伴って構成されてもよい。
次に図１０を参照すると、構造体にＹ接合部を形成するためのプロセスのフローチャートが一実施形態にしたがって描かれる。図１０に示されるプロセスは、第１の構造体と第２の構造体との間に接合部を形成するために使用されてもよい。
プロセスは、軟化ストリップを第１の構造体のための接合領域に配置することによって始まる（工程１０００）。軟化ストリップは、気体が液体形態を有する温度で柔軟であり続けることができる。プロセスは、その後、第２の構造体をレイアップする及び／又は位置決めする（工程１００２）。その後、接合部を形成するために軟化ストリップが第１の構造体及び第２の構造体に結合され（工程１００４）、その後にプロセスが終了する。この結合は、共硬化、硬化、又は、他の適した結合技術を含む様々な機構を使用して行なわれてもよい。
図１１を参照すると、タンクのためのＹ接合部を形成するためのプロセスのフローチャートが一実施形態にしたがって描かれる。図１１に示されるプロセスは、図１０におけるプロセスの１つの実施の詳細な例であってもよい。図１１に示されるプロセスは、複合低温タンクと複合スカートとの間にＹ接合部を形成するために使用されてもよい。
プロセスは、タンクのドーム及び壁をレイアップすることにより始まってもよい（工程１１００）。その後、軟化ストリップが接合領域に配置されてもよい（工程１１０２）。工程１１０２では、軟化ストリップが接着フィルムを用いて領域に配置されてもよい。
次に、スカート構造体がレイアップされる（工程１１０４）。スカート構造体は、ドーム及び壁が軟化ストリップと共に位置付けられてもよい領域にわたってレイアップされてもよい。その後、構成要素が硬化され（工程１１０６）、その後にプロセスが終了する。硬化ステップは、熱及び／又は圧力を使用して行なわれてもよい。硬化は、オートクレーブや他の適切な炉を使用して行なわれてもよい。他の実施形態において、これらの構成要素は、電子ビームを使用して硬化されてもよい。硬化工程１１０６の結果は、図５における接合部５２０と同様の接合部であってもよい。
ここで、図１２を参照すると、複合低温タンクと複合スカートとの間にＹ接合部を形成するためのプロセスの他のフローチャートが一実施形態にしたがって描かれる。
プロセスは、タンクの壁の内側フェースシート及びドームを工具上にレイアップしてレイアップを硬化させることによって始まってもよい（工程１２００）。ドームは、例えば、これに制限されることはないが、ドーム５０６であってもよく、また、タンク壁のフェースシートは、例えば、これに制限されることはないが、図５における壁５１０などの壁であってもよい。これらの例において、工具は、異なる複合構成要素の形状にふさわしい金型であってもよい。
プロセスは、フィルム接着剤を軟化ストリップの接合面７０４、７０６上に配置してもよい（工程１２０２）。工程１２０２における軟化ストリップは、例えば、これに制限されることはないが、図７における軟化ストリップ６０６などの軟化ストリップであってもよい。これらの例において、接合面７０４、７０６は、他の構造体に結合されるようになっている構造体の表面である。言い換えると、２つの構造体が互いに結合されるときには、接合部を形成するために互いに接触する表面が接合面と称されてもよい。
プロセスは、その後、タンクの壁における内側フェースシート及びドームの上に軟化ストリップを接着剤を対向させて位置させてもよい（工程１２０４）。プロセスは、その後、局所ヒータブランケットを使用して軟化ストリップをタンクに接合する接着剤を硬化させてもよい（工程１２０６）。工程１２０６の後、軟化ストリップがタンク壁に結合されてもよい。軟化ストリップは、その後、タンク壁上の所定位置で最終形状へと切り取られてもよい（工程１２０８）。その後、プロセスは、スカート工具を位置決めして、該スカート工具をタンク工具に取り付けてもよい（工程１２１０）。
プロセスは、その後、スカート５１２の内側壁のための接合面７０４、７０６上にフィルム接着剤を配置してもよい（工程１２１２）。その後、プロセスは、スカートの内壁をレイアップして構成要素を所定位置で硬化させてもよい（工程１２１４）。
次に、スカート５１２及びコア６０２のための接合面７０４、７０６上に接着剤が配置されてもよい（工程１２１６）。コア６０２は、構造体の壁のための２つのフェースシート間に位置付けられる構造的要素であってもよい。プロセスは、その後、壁サンドイッチコア及び外側フェースシートをレイアップして、構成要素を所定位置で硬化させてもよく（工程１２１８）、その後にプロセスが終了する。工程１２１８において、外側フェースシートは、例えば、図６における外側スキン６００であってもよい。
ここで図１３を参照すると、軟化ストリップを形成するためのプロセスのフローチャートが一実施形態にしたがって描かれる。図１３に示されるプロセスは、図１１及び図１２における工程で用いる軟化ストリップを形成するために使用されてもよい。
プロセスは、三次元プリフォームを形成することによって始まってもよい（工程１３００）。これらの例において、工程１３００は、例えば、これに制限されることはないが、繊維を編むことによって、繊維を織ることによって、材料を積み重ねることによって、及び、ｚ−ピン止めを行なうことによって、あるいは、何らかの他の適したプロセスを使用して行なわれてもよい。
次に、プラスチックマトリックスが三次元プリフォーム中へ注入されてもよい（工程１３０２）。これらの例において、プラスチックマトリックスはテフロン（登録商標）ポリマーであってもよい。このタイプのポリマーを用いて、乾燥粉末が三次元プリフォーム上に配置されてプリフォームへと加工されてもよい。例えば、工程１３０２における注入は、プリフォームへの注入を行なうためにプリフォームを振動させた後に熱及び圧力を加えることを伴ってもよい。工程１３０２における加熱及び加圧は、オートクレーブを使用して行なわれてもよい。
プリフォームが成形されてもよい（工程１３０４）。工程１３０４において、プリフォームは、何らかの他の適したプロセスを使用して、Ｙ接合部で用いる形状へと機械加工され、切断され、あるいは、成形されてもよい。プロセスは、軟化ストリップの表面、接合面７０４、及び、接合面７０６をエッチングしてもよい（工程１３０６）。このエッチングは酸性エッチングであってもよい。Ｔｅｒｔｒａ−Ｅｔｃｈ（登録商標）フルオロカーボンエッチャントは、結合のためのフルオロカーボン表面を形成するために使用される市販のエッチャントの一例である。Ｔｅｒｔｒａ−Ｅｔｃｈ（登録商標）フルオロカーボンエッチャントは、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から入手できてもよく、また、Ｔｅｒｔｒａ−Ｅｔｃｈ（登録商標）はＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社の商標である。このエッチングは、接着フィルムをプリフォームの表面に張り付けることができるようにするために使用されてもよい。プロセスは、その後、軟化ストリップのそれぞれの側部、すなわち、側部７０８及び側部７０７に接着フィルムを貼り付けてもよく（工程１３０８）、その後にプロセスが終了する。接着ストリップは、硬化プロセス中に軟化ストリップをタンクのドーム及びスカートに取り付けて硬化させることができるようにする。
ここで、既に説明されたタンクドーム５０６とタンク壁５１０との間の接合部５２０（図６）などの２つの構造体の表面間の接合部に配置されてもよい軟化ストリップ１４００の更なる実施形態を示す図１４に注意が向けられる。軟化ストリップ１４００は、接合部５２０における応力を制御するように機能するとともに、プラスチックバインダが注入された三次元多孔質基布プリフォーム１４２４を備える。具体的には、軟化ストリップ１４００は、接合部５２０における応力を線形化し、それにより、低温時であっても、接合部５２０におけるピーク応力を低減させる。
三次元基布プリフォーム１４２４は、繊維プリフォーム１４２４が構造的に自立しているように互いに織られ、編まれ、層状にされ、あるいはさもなければ、配置される繊維１４０２を備えるとともに、比較的高い歪み能力を有する。構成繊維１４０２は、低温であっても、応力に晒されるときに繊維プリフォーム１４２４に弾力性を与えるように配置される。繊維１４０２は、これに制限されることはないが、略直交軸１４０８、１４１０、１４１２に沿って配置されるとともに一般的に比例して繊維プリフォーム１４２４の全体にわたって均一に分布されるカーボン繊維を備えており、それにより、繊維プリフォーム１４２４に準等方的な特性が与えられる。しかしながら、他の実施形態において、繊維１４０２は、直交している必要はなく、比例している必要はなく、あるいは、均一に分布されている必要もない。
カーボン繊維の使用は、軟化ストリップ１４００に対して高い強度と比較的低いＣＴＥとを与え、それにより、結束性があり、所望の最終形状へと容易に機械加工され得るとともに、タンク製造プロセス中に取り扱うことができる繊維プリフォーム１４２４がもたらされる。繊維が低温時に必要な強度及び柔軟性を示す場合には、ガラス繊維、アラミド繊維、及び、金属繊維を含むがこれらに限定されない他の繊維が使用されてもよい。本明細書中で使用される用語「低温」は、一般に約１５０°Ｆ未満の温度を含む。１つの実施形態では、約２〜１５ミクロンの範囲内の直径を有する繊維１４０２が使用されてもよい。
プラスチックバインダは、以下に説明されるように焼結されると、プラスチックコーティング１４１４を形成し、このプラスチックコーティングは、繊維１４０２を被包するとともに、低温で軟化ストリップ１４００の弾力的柔軟性及び順応性に寄与しつつ、繊維プリフォーム１４２４を用途に適した最終的な所望の形状に機械加工できるようにする十分な剛性を繊維プリフォーム１４２４に与える。プラスチックバインダは、これに制限されることはないが、約５００°Ｆの融点を有するＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）などの既に説明した熱可塑性物質のうちのいずれかを備えてもよい。他のフッ素重合体が適する場合もある。特定の用途のために選択されるプラスチックバインダは、弾性的に順応性がなければならず、室温及び低温の両方で十分なしなやかさ及び柔軟性を有さなければならないとともに、更に、構造体の複合熱硬化性樹脂構成要素が熱的に硬化される一般的には約３００〜４００°Ｆの範囲内であってもよい温度で安定したままでなければならない。また、プラスチックバインダは、繊維１４０２のＣＴＥに比較的近い低いＣＴＥを有していなければならない。タンクドーム５０６及びタンク壁５１０で使用される複合樹脂のＣＴＥに近いＣＴＥを有するプラスチックバインダ及び繊維１４０２のための材料の選択は、接合部５２０における任意の熱的に誘導される応力を最小限に抑える。
図１４において、基布プリフォーム１４２４は、個々の略直交する繊維１４０２を備えるように示される。しかしながら、図１５に示されるように、図１４に示される各繊維１４０２は、時として当該技術分野では「シングル」と称される結束性のあるスレッドを形成するために互いに捩じられ、結合され、あるいはさもなければ、接合されてもよい複数の比較的小さい直径の絡まり合った繊維１４０２ａを備える糸１４０２であってもよい。したがって、本明細書中で使用される用語「繊維」は、単一繊維、繊維の束、又は、単一繊維と繊維の束との組み合わせを含むように意図される。
図１６を参照すると、最初に三次元プリフォーム１４２４へと形成されるときには、プラスチックバインダがコーティングされる前に、直交繊維１４０２が交差部１４１６で互いに交差して接触してもよい。図１７に示されるように、繊維プリフォーム１４２４にプラスチックバインダが注入された後、結果として得られるプラスチックコーティング１４１４は、繊維１４０２を取り囲むとともに、交差部１４１６で複数の繊維１４０２を被包してもよい。しかしながら、図１４に示されるように、繊維１４０２間の間隔は、プラスチックバインダがコーティングされる前及び後のいずれにおいても、基布プリフォーム１４２４が間隙１４２０を含んで軟化ストリップ１４００を多孔性にするようになっている。この多孔性は、軟化ストリップ１４００のしなやかさ及び柔軟性を低温で維持するのに役立つ。
図１７を参照すると、負荷が軟化ストリップ１４００を通じて伝えられるときに、強力であるが柔軟な繊維１４０２は、曲がることができ、屈曲でき、あるいはさもなければ、互いに対して移動でき、それにより、接合部における応力の一部を吸収して、ピーク応力を減らすことができる。例えば、繊維１４０２は、負荷が接合部５２０（図６）を通じて伝えられるにつれて、破線１７２２により示される位置へと個別にあるいは一緒に移動しあるいは屈曲することができる。三次元基布プリフォーム１４２４の個々の繊維１４０２がこのように変位されるため、プラスチックコーティング１４１４は、低温であってもそれが繊維１４０２と共に屈曲して移動するように十分にしなやかで柔軟性を有したままである。
図１８は、接合部５２０（図６）における応力τを接合部の長さＬに沿って示すグラフ１８００を例示し、この場合、軟化ストリップ１４００の長さがＬ１として示される。破線状のグラフ線１８１０は、軟化ストリップ１４００を使用しない場合の接合部５２０における応力を表わしており、ピーク応力１８１２が接合部５２０の始めに生じることを明らかにする。グラフ線１８０４は、接合部５２０を通じて伝えられる応力τを軟化ストリップ１４００の長さＬ１に沿って表わす。グラフ１８００から明らかなように、軟化ストリップ１４００は、応力τの制御及び分配に役立ち、それにより、接合部の始めにおけるピーク応力τを参照符号１８１２に示されるレベルから参照符号１８０６に示されるレベルまで減少させる。
ここで、軟化ストリップ１４００を形成する方法の全ステップを例示する図１９に注意が向けられる。ステップ１９０２から始まって、適した三次元基布プリフォーム１４２４が織りプロセス、編みプロセス、又は、他の適したプロセスによって形成され、この場合、繊維１４０２が略均一な自立構造へと互いに組み付けられる。既に説明したように、繊維１４０２は、カーボン繊維材料、又は、用途に適した他のタイプの繊維材料を備えることができ、また、低温で望ましい度合の強度及び柔軟性を示すことができる。ステップ１９０２で形成された基布プリフォーム１４２４には、その後、１９０４で示される一連のステップにおいて適したプロセスバインダがコーティングされる。
ステップ１９０６では、三次元基布プリフォーム１４２４が、プラスチックバインダ材料、例えばこれに制限されることはないが既に論じたＦＥＰなどの熱可塑性物質の水溶液中に浸漬される。水溶液は、プラスチックバインダの細かい乾燥粒子を用途によって決まる濃度で水中へあるいは他の適した液体キャリア中へ導入することによって形成されてもよい。プラスチックバインダの粒子は、水溶液の全体にわたって分散されたままであってもよく、また、沈殿されてもよく、それにより、溶液の定期的な撹拌又は混合の必要性が回避される。ステップ１９０８では、基布プリフォーム１４２４がきつく織り込まれているために多孔質であるにもかかわらず水溶液が容易に流入して十分に染み込むことができないという事実に起因して、基布プリフォーム１４２４をもみほぐすことによって水溶液を基布プリフォーム中へ入り込ませることが必要な場合がある。基布プリフォーム１４２４に水溶液をこのように「入り込ませること」は、手によって行なわれてもよく、あるいは、基布プリフォーム１４２４と水溶液との間で移動及び撹拌を引き起こすのに適した機械を使用して行なわれてもよい。
ステップ１９１０においては、基布プリフォーム１４２４中に取り込まれた任意の気泡を除去して、基布プリフォーム１４２４が水溶液で完全に飽和されるようにするため、基布プリフォーム１４２４は、プラスチックバインダの水溶液中に依然として浸漬される間に真空に晒されてもよい。気泡は、それらが水溶液による繊維１４０２の湿潤を妨げる場合があるため望ましくない。繊維プリフォーム１４２４は、繊維プリフォーム１４２４が完全に飽和されるようになるために必要な長さの時間にわたって水溶液中に浸漬されたままであり、それにより、繊維１４０２の全てが湿った状態となる。ステップ１９１２において、飽和された基布プリフォーム１４２４は、水溶液から除去された後、単純な空気乾燥を含むがこれに限定されない任意の適した技術を使用して乾燥される。この乾燥プロセスにより、水溶液中のプラスチックバインダ粒子が互いに対して及び繊維１４０２に対して付着し、それにより、繊維プリフォーム１４２４の繊維１４０２は覆われる。ステップ１９１４では、プラスチックバインダの付着された粒子を固結されたコーティングへと融合させるために、注入済みの基布プリフォーム１４２４が、炉内に配置されるとともに、バインダ粒子の溶融又は焼結をもたらす十分に高い温度でベーク処理される。ＦＥＰがバインダ材料として使用される場合には、約６２０°Ｆの温度で焼結が達成されてもよい。
ステップ１９１４における焼結は、基布プリフォーム１４２４の繊維１４０２を交差部１４１６で互いに結合させるプラスチックコーティングをもたらし、それにより、基布プリフォーム１４２４の柔軟性が所望の柔軟性よりも低くなる。低温で所望の柔軟性及びしなやかさを得るために、注入済みの焼結された基布プリフォーム１４２４は、以下で更に詳しく論じられるように、ステップ１９１６において、冷間加工又は冷間成形により機械加工されてもよい。注入済みの焼結された基布プリフォームのこの冷間加工は、特に交差部１４１６で繊維プリフォーム１４２４の繊維１４０２同士の間に形成され得る任意の結合を壊すことができ、及び／又は、プラスチックコーティング１４１４を破壊しあるいは該コーティングに亀裂を生じさせることができ、それにより、基布プリフォームが更に柔軟になって低温で接合部５２０の応力を線形化させるのに良好に適するように基布プリフォーム１４２４を「弛緩させる」。
既に説明した実施形態の場合と同様に、ステップ１９１８では、コーティングされた基布プリフォーム１４２４が、任意の適した機械加工技術を使用して、接合部５２０の幾何学的形態に適合する形状へと機械加工されてもよい。既に説明したドーム状のタンクの場合、基布プリフォーム１４２４は、負荷が当初の接合部に近づくにつれて二次的な負荷経路の剛性が連続的に増大するようにテーパ状断面又は楔形状断面へと機械加工されてもよい。この特徴は、より均一な剪断の伝達を接合部にわたって一貫して低いレベルでもたらし得る。
ここで、平坦な注入済みの三次元基布プリフォーム１４２４を冷間加工するための１つの技術を例示する図２０に注意が向けられる。この例では、既に説明したように繊維１４０２及びプラスチックコーティング１４１４の両方を「弛緩させる」べく繊維プリフォーム１４２４を冷間加工して圧縮するために、ロール成形機２００２などの装置が使用されてもよい。ロール成形機２００２は、反対方向に回転する一対のローラ２００４を備えてもよい。基布プリフォーム１４２４は、ローラ２００４間のニップ部２００８へと２００６の方向で供給される。ローラ２００４の位置及び形態に応じて、基布プリフォーム１４２４は、用途に適した所望の外形又は曲率へと圧延されてもよい。また、用途に応じて、繊維プリフォーム１４２４は、それが冷間加工される前又は後で機械加工されてもよい。
図２１は、基布プリフォーム１４２４を冷間加工すると同時に所望の形状へと成形するための他の技術を示す。この例では、繊維プリフォーム１４２４を所望の形状へと成形しつつ冷間加工するために、適合された金型表面２１０４、２１０６をそれぞれ有する一対の適合された金型２１００、２１０２が使用される。適合された金型２１００、２１０２はプレス（図示せず）内に配置されてもよく、また、繊維プリフォームは金型２１００、２１０２間に配置される。プレスが一方の金型２１００を２１０８の方向に移動させ、それにより、繊維プリフォーム１４２４が第２の金型２１０２へと押し進められ、その結果、基布プリフォーム１４２４が所望形状へと圧縮されて成形される。
ここで、１つ以上の接合部５２０におけるピーク応力を減少させるために軟化ストリップ１４００が使用される低温タンクを形成する方法の全体のステップを例示する図２２に注意が向けられる。ステップ２２００から始まって、複合樹脂タンク壁５１０及びタンクドーム５０６がレイアップされる。タンク壁５１０及びタンクドーム５０６はそれぞれ、カーボン繊維などの繊維で補強される、これに制限されることはないがエポキシ又はＢＭＩ（ビスマレイミド）などの繊維強化熱硬化性樹脂の複数プライのレイアップを備えてもよい。ステップ２２０２では、既に説明した図１９に示されるプロセスを使用して、適した軟化ストリップ１４００が形成される。ステップ２２０４では、レイアップステップ２２００中のタンク壁５１０とタンクドーム５０６との間の接合部５２０に軟化ストリップ１４００が配置される。軟化ストリップ１４００は、低温で生じる応力を含む接合部５２０の応力を減らすように機能する。ステップ２２０６では、図１０〜図１３に関連して既に説明したように、タンクドーム５０６、タンク壁５１０、及び、軟化ストリップ１４００が同時結合される。
フローチャートに示される異なる工程は、異なる実施形態のために行なわれてもよい異なるステップの全てを含めなくてもよい。例えば他の工程、例えばこれに制限されることはないが、結合、シム入れ、カウルメッキ、及び、他の適した工程のための前処理が前述した異なるプロセス中に行なわれてもよい。また、幾つかの実施形態では、特定の実施に応じて、工程のうちの一部が同時にあるいは異なる順序で行なわれてもよい。
したがって、異なる実施形態は、異なる構造体間の接合部の強度を高めるための方法及び装置を提供する。異なる実施形態は、軟化ストリップを形成するためにプラスチックマトリックスが内部に含浸されあるいは注入された三次元プリフォームを含んでもよい。この軟化ストリップは、周囲温度で気体形態を有する材料が液体形態を有する温度において柔軟であり続けることができる。
異なる実施形態の説明は、例示目的及び説明目的のために与えられてきたが、包括的であるようにあるいは開示された形態の実施形態に限定されるように意図されていない。多くの改変及び変形が当業者に明らかである。
異なる例示的な例は、宇宙船のためのＹ接合部における軟化ストリップの使用を示すが、この軟化ストリップは宇宙船以外の物体で使用されてもよい。例えば、これに制限されることはないが、軟化ストリップは、潜水艦、航空機、建物、ダム、製造設備、発電所、タンク、車、又は、何らかの他の適した物体における構造体のための接合部で使用されてもよい。
また、異なる実施形態は、他の実施形態と比べて異なる利点を与えてもよい。選択される１又は複数の実施形態は、実施形態の原理、実用的な用途を説明するように、及び、考えられる特定の用途に適した様々な改変を伴う様々な実施形態に関する開示を当業者が理解できるように選択されて説明される。
１００ 宇宙船の製造及び保守点検方法
１０２ 仕様及び設計
１０４ 材料調達
１０６ 構成要素及び部分組立品の製造
１０８ システム統合
１１０ 認証及び搬送
１１２ 就航中
１１４ 整備及び保守点検
２００ 宇宙船
２０２ 構造体
２０４ システム
２０６ 内部
２０８ 推進システム
２１０ 電気システム
２１２ 油圧システム
２１４ 環境システム
３００ 宇宙船
３０２ 構造体
３０４ 構造体
３０６ タンク
３０８ 表面
３１０ 表面
３１２ 接合部
３１４ Ｙ接合部
３１６ ストリップ
３１８ 線
３２０ 三次元プリフォーム
３２２ プラスチックマトリックス
３２４ 三次元基布
４００ 打ち上げ用ロケット
４０２ 前部
４０４ 後部
４０６ 長手方向軸
４０８ 部分
５０１ 矢印
５０３ 矢印
５０４ タンク
５０６ ドーム
５０８ ドーム
５１０ 壁
５１２ 前部スカート
５１４ 後部スカート
５２０ Ｙ接合部
５２２ Ｙ接合部
５２４ 軸
５３０ 断面
６００ 外側スキン
６０２ コア
６０４ 内側スキン
６０６ 軟化ストリップ
７００ 端部
７０２ 端部
７０４ 接合面
７０５ 側
７０６ 接合面
７０７ 側
７０８ 部分、側
７１０ 部分
８００ プリフォーム
８０２ 矢印
９００ プラスチックマトリックス
９０２ 軟化ストリップ
１０００ 工程
１００２ 工程
１００４ 工程
１１００ 工程
１１０２ 工程
１１０４ 工程
１１０６ 工程
１２００ 工程
１２０２ 工程
１２０４ 工程
１２０６ 工程
１２０８ 工程
１２１０ 工程
１２１２ 工程
１２１４ 工程
１２１６ 工程
１２１８ 工程
１３００ 工程
１３０２ 工程
１３０４ 工程
１３０６ 工程
１３０８ 工程
１４００ 軟化ストリップ
１４０２ 繊維（糸）
１４０２ａ 繊維
１４０８、１４１０、１４１２ 略直交軸
１４１４ プラスチックコーティング
１４１６ 交差部
１４２０ 間隙
１４２４ 三次元多孔質基布プリフォーム
１７２２ 破線
１８００ グラフ
１８０４ グラフ線
１８１０ グラフ線
１８１２ ピーク応力
１９０２ ステップ
１９０６ ステップ
１９１０ ステップ
１９１２ ステップ
１９１４ ステップ
１９１６ ステップ
１９１８ ステップ
２００２ ロール成形機
２００４ ローラ
２００８ ニップ部
２１００、２１０２ 金型
２１０４、２１０６ 金型表面
２２００ ステップ
２２０２ ステップ
２２０４ ステップ
２２０６ ステップ

Claims (14)

  1. 複合材タンク壁５１０と、
    複合材タンクドーム５０６と、
    前記複合材タンク壁と前記複合材タンクドームとの間の接合部５２０と、
    前記複合材タンク壁と前記複合材タンクドームとの間の前記接合部における軟化ストリップ９０２と、
    を備えるタンク３０６。
  2. 前記接合部がＹ接合部であり、
    前記軟化ストリップは、断面が楔形状であるとともに、前記Ｙ接合部における応力を制御するために前記複合材タンク壁と前記複合材タンクドームとに対して結合される、
    請求項１に記載のタンク。
  3. 前記軟化ストリップは、プラスチックバインダでコーティングされる柔軟な繊維を有する三次元基布を含む請求項１又は請求項２に記載のタンク。
  4. 前記繊維は、３つの略直交軸に沿って延伸する繊維を含む請求項３に記載のタンク。
  5. 前記繊維は、約２〜１５ミクロンの範囲内の直径を有する繊維を含む請求項３又は請求項４に記載のタンク。
  6. 前記プラスチックバインダは、室温及び低温の両方で順応性がある高分子である請求項３、４、又は、５に記載のタンク。
  7. 前記プラスチックバインダは、約−１５０°Ｆ未満の温度で弾性的順応性を示すとともに最大約４００°Ｆの温度で安定性を示すフッ素重合体である請求項３、４、５、又は、６に記載のタンク。
  8. 前記三次元基布が多孔質であり、
    前記繊維及び前記プラスチックバインダは、室温及び低温の両方で柔軟である、
    請求項３、４、５、６、又は、７に記載のタンク。
  9. 低温に晒されるタンクを形成する方法であって、
    複合樹脂壁及び少なくとも１つの複合樹脂ドームをレイアップするステップと、
    接合部に沿って前記複合樹脂壁を前記複合樹脂ドームに結合するステップと、
    軟化ストリップを形成するステップと、
    前記複合樹脂壁と前記複合樹脂ドームとの間の前記接合部に前記軟化ストリップを配置することによって前記接合部におけるピーク応力を減少させるステップと、
    を備える方法。
  10. 軟化ストリップを形成する前記ステップは、
    柔軟な繊維を有する三次元基布を用意するステップと、
    低温において柔軟である熱可塑性バインダで前記柔軟な繊維をコーティングするステップと、
    を含む請求項９に記載の方法。
  11. 繊維をコーティングする前記ステップは、
    熱可塑性バインダを含む水溶液中に前記繊維を浸漬するとともに、
    前記繊維を乾燥させる、
    ことによって行なわれる請求項９又は請求項１０に記載の方法。
  12. 軟化ストリップを形成する前記ステップは、前記繊維を弛緩させるように前記コーティングされた基布を機械的に加工するステップを更に含む請求項１１に記載の方法。
  13. コーティングされた基布を機械的に加工する前記ステップが冷間加工プロセスによって行なわれる請求項１２に記載の方法。
  14. 前記接合部に前記軟化ストリップを配置する前記ステップは、
    前記軟化ストリップを前記複合樹脂壁と前記複合樹脂ドームとに対して結合するステップと、
    前記複合樹脂壁、前記複合樹脂ドーム、及び、前記軟化ストリップを同時結合させるステップと、
    を含む請求項１０に記載の方法。
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