JP2016173189A - 飛しょう体用レドーム - Google Patents

Abstract

【課題】 飛しょう体用レドームにおいて、飛しょう時に生じる空力加熱によってレドームが高温になると、セラミックレドームとレドームリングの接続部に使用されている接着部の温度が耐熱温度を超え、レドーム部に発生する熱応力が大きくなり、レドームの強度を超えるという問題がある。
【解決手段】 パラフィン系鉱油を含浸させた多孔質セラミックスをセラミックレドームに使用することで、パラフィン系鉱油の熱容量分だけセラミックレドームの熱容量を向上させ、また、レドームが高温になった時のパラフィン系鉱油等が融解および気化する潜熱を利用することでレドームの温度上昇を抑え、更に融解および気化したパラフィン系鉱油がレドーム表面と外部との間に保護境界層を形成し、断熱層として働くことで、レドームへ流入する熱量を抑制し、接着部やレドーム全体の温度上昇を抑制する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、飛しょう体用アンテナを保護する飛しょう体用レドームに関する。

所定の目標に向けて電波誘導にて飛しょうする飛しょう体は、先端部に目標を検知するためのレーダ用アンテナが備えられている。飛しょう体の先端部は、空力荷重や空力加熱を受けやすい部位である。このため飛しょう体の先端部は、空力抵抗を減らし高速で飛しょうできるように、尖った形状（例えばCone、Ogive、Von_Karman形状）とすることが一般的である。

また、レドームは、レーダ用アンテナが送受信する電波を透過させる必要があることから、誘電体材料を使用しなければならない。誘電体材料としては、耐熱性、耐熱衝撃性および優れた低熱膨張係数（0〜5×10-E6/℃）を持つ、アルミナ（Al2O3）、コージライト（2MgO・2Al2O3・5SiO2）、ヒューズドシリカ（SiO2）、シリコンナイトライド（Si3N4）焼結体などのセラミックスを用いるのが主流である（例えば特許文献１参照）。

セラミックスは多孔質構造をとることにより誘電率が減少することから、電波透過性に優れたレドームを必要とする際には多孔質セラミックスが用いられる。多孔質セラミックスではセラミックスの表面に樹脂を被覆するかセラミックスの空孔内部に樹脂を含浸させる。これによって気密性を向上させ、セラミックス表面又は内部に空気等の気体や水等の液体が侵入することを阻止し、同様に機械的強度を向上させることができる。多孔質セラミックスを高速飛しょう体に用いる場合は、強度と耐候性からＳｉ又はＡｌを素材とすることが多く、含浸樹脂は耐熱性を持つエポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂を用いることが多い。

飛しょう体の機体は、通常、鉄、あるいはアルミニウム材などの高剛性で高熱膨張係数（10〜30×10-E6/℃）の材料を用いるのが一般的である。前述のレドームと機体は異種材料となるので、その組み合わせによる熱応力が懸念される。このため、高剛性で熱膨張係数が比較的低いＦＲＰを用いたリングを介して、レドームを構成するセラミックスを機体に固定し、またセラミックスとリングは接着剤によって固定することが一般的である（例えば特許文献２参照）。

特開平１０−１３１２９公報 特開２０００−２１３８９９公報

飛しょう体は、飛しょう開始から数秒間という短い時間で超音速や極超音速などに達するものが多く、空力加熱により機体が高温に晒される。レドームは、飛しょう体の部位の中で最も熱的環境が厳しい部位の一つであり、大きな空力荷重と大きな空力加熱、熱衝撃を受けることになる。

レドームは、強度が高く、耐熱性及び耐熱衝撃性が求められることから、耐熱温度１０００℃以上の誘電体材料であるセラミックスをレドーム材料とすることが一般的である。特にセラミックスは多孔質構造をとることにより誘電率が減少することから、電波透過性に優れたレドームを必要とする際には多孔質セラミックスが用いられる。

レドームを構成するセラミックスとリングの固定は、エポキシ系、あるいはシリコーン系の接着剤等を用いることが多い。空力加熱によりレドームが高温になるに従い接着剤も高温になる。飛しょう速度が高速になる、あるいは飛しょう時間が長くなり、空力加熱総量が増加すると、接着剤の温度が高温になり、接着剤の耐熱温度を超えてしまうという課題がある。

さらに、レドームの耐熱衝撃を緩和するために、熱伝導率の高い材料を選択した場合は、レドームから接着剤の接合部まですぐに熱が伝わることから、接着剤の温度が高温になり、接着剤の耐熱温度を超えてしまい、レドームと機体の接着部が破壊する虞がある。

これまでは、接着強度が高いエポキシ系接着剤を用いることが多かったが、エポキシ系接着剤は耐熱温度が２００℃を超えるものが少なく、接着剤の耐熱性を高くしてレドームの接着強度を上げることは難しい場合が多かった。また、空力加熱に直接晒される飛しょう体の最外殻部に断熱材を設けて、リングの温度上昇を防ぐものもある。このような断熱材を設けたレドームであっても、接着剤の耐熱温度を超えてしまう場合がある。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、飛しょう体の飛しょう時に生じる空力加熱により高温となるレドームの温度上昇を抑え、セラミックスとリングを固定する接着部への熱の流入を抑制し、接着部とレドーム全体の温度上昇を抑えることのできる、飛しょう体用レドームを得ることを目的とする。

この発明による飛しょう体用レドームは、パラフィン系鉱油を内部の孔に含浸させた多孔質セラミックスからなるセラミックレドームと、上記セラミックレドームにおける端部の内周面に接着されるレドームリングと、上記レドームリングの外周を覆う断熱材とを備えたものである。

この発明によれば、パラフィン系鉱油を含浸させた多孔質セラミックスをレドームの構成材料に使用することで、レドームの熱容量が増加し、レドームが高温になった時に含浸されていたパラフィン系鉱油が融解および気化する際に熱量を消費するとともに、セラミックス表面上に保護境界層を形成し外部からの熱侵入を防ぐ断熱材として作用し、外部からレドームに流入する熱量を抑え接着部やレドーム全体の温度上昇を抑制できる。

実施の形態１に係る飛しょう体用レドームの構成図である。 実施の形態１に係る飛しょう体用レドームにおける、パラフィン系鉱油と樹脂の比誘電率と比熱を比較した表である。 実施の形態１に係る飛しょう体用レドームが空力加熱を受けている状態を説明する図である。 実施の形態１に係る飛しょう体用レドームにおける、パラフィン系鉱油の融解により形成される保護境界層について説明する図である。 実施の形態１に係る飛しょう体用レドームにおける、パラフィン系鉱油の気化により形成される保護境界層について説明する図である。 実施の形態１に係る飛しょう体用レドームにおける、接着部の温度履歴を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による飛しょう体用レドームの構成を示す図である。図１において、実施の形態１による飛しょう体用レドーム（以下、レドーム）１は、飛しょう体の先端に設けられ、飛しょう体の胴体に装着されたレーダ用アンテナ装置を収納し、空力環境から保護する。

セラミックレドーム２は、レドーム１のレーダ用アンテナ装置から送受信される電波を透過するレドーム本体を構成する。セラミックレドーム２は、誘電率が低く電波を透過する多孔質セラミックスを材料とする。セラミックレドーム２は、セラミックス内部の多孔にパラフィン系鉱油６が含浸されている。レドームリング４は、セラミックレドーム２の開口側端部の内周面に接着される。レドームリング４は、例えばＣＦＲＰ（炭素繊維強化複合材料）のような複合材料で成形される。セラミックレドーム２とレドームリング４は、接着部３にて接着剤により結合される。断熱材５は、レドームリング４の外周に接着されてリング３の温度上昇を防ぐ。

また、図１において、空力加熱１１は、飛しょう体が高速で飛しょうする際に生じる。パラフィン系鉱油６は、空力加熱１１により熱を受けて、セラミックレドーム２が加熱された際に融解し、融解したパラフィン系鉱油１２がセラミックレドーム２の表面にしみ出す。保護境界層１３は、融解したパラフィン系鉱油１２がセラミックレドーム２の表面全体にしみだして形成される。融解したパラフィン系鉱油１２は、融解しセラミックレドーム２の表面にしみだすと、過熱されて気化し、気化したパラフィン系鉱油１４となる。保護境界層１５は、気化したパラフィン系鉱油１４がセラミックレドーム２の表面全体に形成される。

ここで、実施の形態１によるレドーム１を構成したセラミックレドーム２は、パラフィン系鉱油６を含浸させた多孔質セラミックスを使用する。セラミックレドーム２は、内部にアンテナを内包しているため、電波透過性が重要である。パラフィン系鉱油６の比誘電率は約２である。パラフィン系鉱油６は、多孔質セラミックスを従来の飛しょう体用レドームとして使用する際に含浸されることが多い、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂と同等の比誘電率を有する。

図２は、パラフィン系鉱油６、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂の比誘電率の比較を示す表である。図２から分るように、パラフィン系鉱油６の比誘電率は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂の比誘電率は同等もしくはそれ以下である。このため、パラフィン系鉱油６を含浸させた多孔質セラミックスをセラミックレドーム２に使用しても電波の透過には影響を与えず、アンテナによる距離および方位計測性能には影響を与えない。

図３は、高速で飛しょうする飛しょう体のレドーム１が空力加熱１１を受けている状態を説明する図である。空力加熱１１は、物体が空気中を高速運動するとき、空気が圧縮されて温度が上昇し、物体表面を加熱する現象であり、断熱壁温度１６と局所熱伝達率１７で表現できる。

飛しょう体用レドームを構成するセラミックレドーム２は、高速で飛しょうする飛しょう体の先端に位置する。セラミックレドーム２は、空力加熱１１が大きく、断熱壁温度１６が高温となるため、セラミックレドーム２へ流入する熱量は大きい。実施の形態１によるレドーム１のセラミックレドーム２は、多孔質セラミックスに樹脂の代わりに熱容量の大きなパラフィン系鉱油６を含浸している。このため、セラミックレドーム２は、パラフィン系鉱油６の熱容量分だけ熱容量が高くなり、温度が上がりにくい。図２は、パラフィン系鉱油６、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂の比熱の比較を示す表である。図２から分るように、パラフィン系鉱油６の比熱は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂に対して、１．１から１．６倍高い比熱を有している。

図４は、パラフィン系鉱油６の融解により形成される保護境界層１３について説明する図である。空力加熱１１によって、セラミックレドーム２の温度が高温となると、含浸されていたパラフィン系鉱油６が融解する。融解したパラフィン系鉱油１２はセラミックレドーム２の表面にしみだす。パラフィン系鉱油６は融解する際、潜熱によって熱を消費しセラミックレドーム２の温度上昇を抑制する。セラミックレドーム２の表面にしみだした融解したパラフィン系鉱油１２はセラミックレドーム２の表面全体を流れ、保護境界層１３を形成する。形成された保護境界層１３は高温の断熱壁温度１６とセラミックレドームの間で断熱材として働くことで、局所熱伝達率１７は保護境界層１３の分だけ、低い局所熱伝達率１８となり、セラミックレドーム２へ流入する熱量を抑制する。

図５は、融解したパラフィン系鉱油１２の気化により形成される保護境界層１５について説明する図である。セラミックレドーム２の表面全体を流れる融解したパラフィン系鉱油１２は、空力加熱１１により温度が上昇し気化する。融解したパラフィン系鉱油１２は気化する潜熱によって熱を消費し、セラミックレドーム２の温度上昇を抑制する。気化したパラフィン系鉱油１４はセラミックレドーム２と高温の断熱壁温度１６の間に保護境界層１５を形成する。形成された保護境界層１５は高温の断熱壁温度１６とセラミックレドーム２の間で断熱材として働くことで、局所熱伝達率１８は保護境界層１５の分だけ、低い局所熱伝達率１９となり、セラミックレドーム２へ流入する熱量を抑制する。

レドームリング４の外周側は、レドームリング４の温度上昇を防ぐ断熱材５が設けられており、レドームリング４から接着部３への熱の流入は少ない。そのため接着部３の温度上昇は、セラミックレドーム２からの熱の流入が大きな影響を与える。ここで、パラフィン系鉱油６の潜熱および顕熱と、セラミックレドーム２の全面に形成されている保護境界層１３，１５により、セラミックレドーム２は温度上昇が抑制され、セラミックレドーム２から接着部３への熱の流入を抑制できる。このため接着部３の温度上昇を効果的に抑制できる。また、セラミックレドーム２から構成されるレドーム１の温度が上がりにくいので、レドーム１に発生する熱応力の発生を抑制できる。

図６は、実施の形態１によるレドーム１の接着部３の温度履歴を示す図であり、破線が従来の飛しょう体用レドームの接着部の温度履歴２０を示し、実線が実施の形態１によるレドーム１の接着部３の温度履歴２１を示す。

図６に示すように、従来の飛しょう体用レドームの接着部の温度履歴２０と比較して、実施の形態１によるレドーム１の接着部３の温度履歴２１の方が温度上昇を低く抑えられる。これはパラフィン系鉱油６を含浸させた多孔質セラミックスをセラミックレドーム２の素材として使用することで、空力加熱１１によりセラミックレドーム２へ流入する熱量が、パラフィン系鉱油６の潜熱および顕熱に消費される。さらに、融解および気化したパラフィン系鉱油１２，１４が形成する保護境界層１３，１５が断熱層として働くことで、セラミックレドーム２から接着部３へ流入する熱量が抑制され、減少する。これによりセラミックレドーム２とレドームリング４の接着部３の温度上昇にともなう接着強度の低下を防止することができ、セラミックレドーム２の脱落やレドーム１内部の電子機器の破壊を防止することができる。また、レドーム１の温度上昇を抑制し、大きな熱応力の発生によるレドーム１の破壊を防止することができる。

以上説明した通り、実施の形態１による飛しょう体用レドームは、パラフィン系鉱油６を内部の孔に含浸させた多孔質セラミックスからなるセラミックレドーム２と、上記セラミックレドーム２における端部の内周面に接着されるレドームリング４と、上記レドームリング４の外周を覆う断熱材５とを備えたことを特徴とする。このようにパラフィン系鉱油を含浸させた多孔質セラミックスをセラミックレドームに使用することで、含浸されているパラフィン系鉱油の熱容量分だけセラミックレドームの熱容量が増加し、セラミックレドームが高温になった時に含浸されていたパラフィン系鉱油が融解および気化する際に、それぞれ潜熱および顕熱として熱量を消費し、融解および気化したパラフィン系鉱油がセラミックレドーム表面上にそれぞれ異なる保護境界層を形成し、外部からの熱侵入を防ぐ断熱材として働く。これより外部からレドームに流入する熱量を抑え、接着部やレドーム全体の温度上昇を抑制できる。

１ レドーム、２ セラミックレドーム、３ 接着部、４ レドームリング、５ 断熱材、６ パラフィン系鉱油、１１ 空力加熱、１２ 融解したパラフィン系鉱油、１３ 保護境界層、１４ 気化したパラフィン系鉱油、１５ 保護境界層。

Claims (1)

1. パラフィン系鉱油を内部の孔に含浸させた多孔質セラミックスからなるセラミックレドームと、
   上記セラミックレドームにおける端部の内周面に接着されるレドームリングと、
   上記レドームリングの外周を覆う断熱材と、
   を備えた飛しょう体用レドーム。

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