JP2017106703A - レードーム用ウィスカー強化高破壊靭性セラミックチップ - Google Patents

レードーム用ウィスカー強化高破壊靭性セラミックチップ Download PDF

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Abstract

【課題】通信システムを格納する航空機、ロケット、ミサイルなどのノーズコーンアセンブリ又はレードームチップアセンブリにおいて、熱や衝撃に耐える構成を提供する。【解決手段】レードームチップアセンブリは、チップ12、及びチップ12をレードーム52に取り付ける軸受筒締結具32により、高破壊靭性を有する。チップ12と軸受筒締結具は共に、酸化アルミニウムセラミック材料と強化用炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物で構築されており、レードーム52は酸化セラミック複合材料で構築されている。【選択図】図7

Description

本開示は、レーダーシステム又は他の同様な通信システムを格納する航空機、ロケット、ミサイルなどのノーズコーンアセンブリ又はレードームチップアセンブリの構築に関する。
航空機、ロケット、ミサイルなどのノーズコーンは一般的に、航空機、ロケット、ミサイルなどのレーダーシステム又は他の同様な通信システムを格納するレードームを含む。航空機、ロケット、ミサイルなどの稼働中、レードームは高速にさらされ、その結果、レードームの材料は高温になる。レードームの場合、これが特に当てはまるのは、ロケット及びミサイルの先端である。
高温になる最新のロケット及びミサイルのレードームは、通常、一体構造セラミック材料で作られている。このような一体構造セラミック材料の例には、ガラスセラミック(Corning社のPyroceram(登録商標))、窒化ケイ素(Ceradyne社のCeralloy(登録商標))、及び溶融石英などがある。これらの材料は低い比誘電率を有し、電送に適している。レードームは一般的に、円錐形状の最上部に頂点開口部と円錐形状の底部にベース開口部を有する、切頭円錐形状で構築されている。レードームは、レーダーシステムを格納する内部空間を有する。
レードームのチップは一般的に、レードームから切り離されて構築される。その理由の1つは、レードームの構築中にレードームのセラミック材料が縮むためである。レードームは、レーダーシステムの電送と予測を良好なものにすると同時に、空力的に滑らかな外面にするため、正確な断面寸法を有する必要がある。そのため、レードームは中心に配置され、レードームの外面は旋盤で加工され研磨されることが必要となる。必要不可欠なチップと共にレードームを形成する場合、その製造ステップは実現が難しくなる。しかも、必要不可欠なチップと共に一体構造セラミック材料のレードームを形成すると、チップ部分が脆弱な一体構造セラミックのレードームを作ることになる。飛行中にチップが何らかの物体から直接的な衝撃を受けると、たとえそれが雨であっても、チップとレードームに重篤な障害を引き起こすことがある。
高速のセラミックレードームは一般的に、分離された金属チップを用いて構築される。金属チップは耐衝撃性を改善し、一体構造セラミック材料からなるレードームの使用中に重篤な障害が発生する可能性を低減する。しかしながら、一体構造セラミック材料からなるレードーム上で金属チップを使用する場合には、数多くの問題が発生する。金属チップはレーダーシステムからの信号の伝送を遮断し、レーダーシステムの信号を反射又は散乱し、レーダーシステムの性能を低下させる大きなブラインドスポットを生み出す。
しかも、金属チップの熱膨張率は、レードームの構築に使用される一体構造セラミック材料の熱膨張率よりも大きい。そのため、レーダーシステムの構成要素を保護するため、レードームの内部空間に制御された環境を保持するのに欠かせない、金属チップとセラミックレードームとの間の気密シールを作り出すのが難しくなる。時間の経過と共に、金属チップと脆弱なセラミックレードームとの間の熱膨張率の差は、レードームの一体構造セラミック材料に微小亀裂を生み出し、金属チップとレードームとの間の密閉が漏れ、金属チップがセラミックレードームから分離する原因となる。
一体構造セラミックレードームに取り付けられる別個の一体構造セラミックチップの使用にも問題がある。一体構造セラミックチップの脆弱な性質は、たとえ雨であっても、物体との衝撃でチップの重篤な障害を引き起こすことがありうる。また、別個の一体構造セラミックチップを脆弱なセラミックレードームにしっかりと取り付けることは困難である。
本開示のレードームチップアセンブリは、レードーム、レードームに取り付けられる別個のチップ、及びチップをレードームに取り付けるために使用される軸受筒締結具からなる。チップは雄ねじ面を有し、軸受筒締結具は雌ねじ面を有する。チップをレードームに取り付けるとき、軸受筒締結具の雌ねじ面は、チップの雄ねじ面にねじ込まれる。
レードームは酸化セラミックマトリクス複合材料で構築される。材料は、レードームの重篤な障害の可能性を取り除く連続繊維を有する。レードームは良好な電子信号伝送特性と低い熱膨張率を有する。レードームは切頭円錐形状を有する。レードームの切頭円錐形状は、円錐形状を有するレードームの外面によって画定される。レードームは外面と向かい合う内面を有する。内面はレードームの内部空間を取り囲む。レードームの丈(length)は、頂点面とレードームの丈の対向端部に位置するベース面との間に延在する。開口部は、レードームの内部空間に対して開かれたレードームの頂点面に設けられる。
チップはレードームの頂点面に取り付けられる。チップは、酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物で構築される。チップは、円筒形状の近位端部面と円錐形状の遠位端部面を有する。雄ねじ面はチップの近位端部面に形成される。雄ねじ面はレードームの頂点面の開口部を通って、レードームの内部空間へ延在する。
軸受筒締結具はまた、酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物で構築される。軸受筒締結具は、レードームの内面の形状と相補的な関係にある切頭円錐形状を有する外面を有する。軸受筒は、チップの雄ねじ面と相補的な関係にある雌ねじ面を有するように形成される。軸受筒の雌ねじ面は、チップをレードームに取り付ける際に、チップの雄ねじ面にねじ込まれる。
軸受筒締結具の外面とレードームの内面との間にガラスシールがもたらされる。ガラスシールはまた、軸受筒締結具とチップとの間にも延在する。
チップと軸受筒締結具の構築に使用される酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素ウィスカー結晶材料の混合物は、レードームの構築に使用される酸化セラミックマトリクス複合材料の熱膨張率(CTE)と厳密に一致する熱膨張率を有する。これにより、金属チップと一体構成セラミック材料レードームとの間の熱膨張率不一致の問題は取り除かれる。例えば、30%ウィスカー強化アルミナを有するグリーンリーフWG−300から作られるチップと軸受筒のCTEは6.0×10−6で、18%ウィスカー強化のWG−150の場合にはCTEは7.0×10−6となる。これら2つのチップと軸受筒の材料は、面内CTEが6.56ppm/℃であるNextel−720繊維強化材を使用する酸化CMC、或いは面内CTEが7.87×10−6/℃であるNextel−610繊維強化材を有する酸化CMCと厳密に一致するCTEを有する。酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカー材料の混合物で構築されるチップは、重篤な障害が発生することなく、強い衝撃に耐えることができる。このチップは金属チップのようにレーダーを遮断又は反射することはない。
上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能であり、或いは、更に別の実施形態において組み合わせることが可能である。これらの実施形態は、以下の説明及び添付図面を参照することによって更に詳細に理解することができる。
本開示のチップの斜視図を示したものである。 本開示のチップの側面図を示したものである。 本開示の締結具軸受筒の斜視図を示したものである。 締結具軸受筒の近位端の平面図を示したものである。 締結具軸受筒の遠位端の平面図を示したものである。 締結具軸受筒の側面図を示したものである。 レードームに組み込まれたチップと締結具軸受筒の側断面図を示したものである。 レードームチップを作る方法を示したフロー図である。
図1は本開示のチップ12の斜視図を示したものである。図2はチップ12の側面図を示したものである。チップ12は中心軸14を有する。チップ12の外面形状は、中心軸14の周りに対称である。チップの外面形状は、近位表面部分16と遠位表面部分18を含む。近位表面部分16は、雄ねじ面22によって画定される。図1及び図2に示したチップ12の例では、雄ねじ面22は3/8−16ねじ山からなる。チップ12の遠位部分18は、円錐外面24によって画定される。円錐面24は、円錐面の円形ベースエッジ26から丸みのある頂点面28まで延在する。図1及び図2に示されているチップ12の例では、丸みのある頂点面28は0.125インチの曲率半径を有する。チップ12の全長は1〜6インチで、公称約1.40インチである。雄ねじ面22の長さは0.25〜2インチで、公称約0.425インチである。チップ12の用途に応じて、チップの寸法は異なってもよい。
チップ12は、ウィスカー強化材の技術を使用するセラミック複合材料で構築される。チップ12の硬質セラミックマトリクスは、一般的にウィスカーと呼ばれる、極めて強力で堅い炭化ケイ素結晶で強化されている。チップ12は、炭化ケイ素結晶ウィスカーで強化された酸化アルミニウムセラミック材料の混合物であるセラミックマトリクス複合材料から構築される。チップ12の構築に使用されるセラミックマトリクス複合材料の一例は、グリーンリーフ社のウィスカー強化セラミック材料WG−300(登録商標)である。WG−300(登録商標)では、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物中の炭化ケイ素結晶ウィスカーの割合はおよそ30%である。チップ12の構築に使用されるセラミック複合材料の他の実施例では、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物中の炭化ケイ素結晶ウィスカーの割合は、混合物の18%〜30%の範囲内となる。
チップ12の構築では、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物が用意される。酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物は、チップ12の構築に使用される半加工品を形成するため、高温/高圧プレス機に投入される。プレス機は、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物からチップ12を形成するように構成された、金型を有する。混合物は金型の間のプレス機に配置され、高温(華氏3,000度以上)で加熱プレスされ、チップ12の半加工品を形成する。チップ12の半加工品は、円筒形になるチップ近位部分16と円錐形状を有するチップ遠位部分18で形成される。半加工品は高密度で、細かい粒子サイズを有する。プレス機の温度と同時にプレス機内の混合物に印加される外圧力は、酸化アルミニウムセラミック材料と強化用炭化ケイ素結晶ウィスカーを良好に一体化する。
次に、雄ねじ面22が、チップ12の円筒形の近位部分16に機械加工される。ねじ面22の谷の底は、荷重下でねじ面22の切り欠き感度(notch sensitivity)を低減するため、浅くなるように機械加工される。半工品中のウィスカーは、ねじ面22の機械加工中に、微小亀裂が形成され、チップの近位部分16を通って伝播するのを防ぐ。
図3〜図6は、本開示の軸受筒締結具32を示している。軸受筒締結具32は中心軸34を有する。軸受筒締結具32の外面形状は、基本的に中心軸34の周りに対称である。軸受筒締結具32は基本的に円錐形のナットである。軸受筒締結具32の外面36は、切頭円錐の形状を有する。外面36は、一般的に環状の近位端部面38から環状の遠位端部面42まで延在する。雌ねじ面44は、軸受筒締結具32の中心を通って、近位端部面38から遠位端部面42まで延在する。ツール接合面スロット46は、近位端部面38を横断して延在する。図3〜図6に示された軸受筒締結具32の実施例では、軸受筒締結具は、長さ0.2〜1.25インチの軸、公称で長さ約0.30インチの軸を有する。近位端部面38の直径は0.5〜2.0インチ、公称で約0.727インチとなっている。遠位端部面42の直径は0.25〜1.75インチ、公称で約0.536インチとなっている。雌ねじ面44の規格は1/4−16〜1/2−16、公称で3/8−16となっている。軸受筒締結具32の用途に応じて、軸受筒締結具32の寸法は異なってもよい。
軸受筒締結具32の構築方法は、チップ12の構築方法と同様である。軸受筒締結具32の構築では、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物が用意される。酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物は、軸受筒締結具32の構築に使用される半加工品を形成するため、高温/高圧プレス機に投入される。プレス機は、軸受筒締結具32用の半加工品を形成するために構成される金型を有する。軸受筒締結具32の雌ねじ面44を形成するため、軸受筒締結具32の雌ねじ面44と相補的な関係にある雄ねじ面がグラファイト母材に機械加工される。酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物の中心には、プレス機が混合物を加熱圧縮する前に母材が配置される。プレス機内の混合物を加熱圧縮して、軸受筒締結具32の高密度なセラミック半加工品に仕上げる間に、軸受筒締結具32の雌ねじ面44は母材の周囲に形成される。軸受筒締結具半加工品を形成する混合物の加熱圧縮が完了した後、雄ねじ面を有する柔らかいグラファイトの母材は軸受筒締結具半加工品から取り除かれ、軸受筒締結具32には、コスト効率の良い、きれいで正確な雌ねじ面44が残る。雌ねじ面44は、プレス機内の酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーを加熱圧縮する間に形成されるため、雌ねじ面44の収縮は起こらない。これにより、機械加工されたチップ12の雄ねじ面22に厳密に適合する雌ねじ面44を、大きな許容誤差で作ることができる。
レードームチップ12と軸受筒締結具32の構築では、酸化アルミニウムセラミック材料粉末と炭化ケイ素結晶ウィスカーの使用の別の態様として、代わりに窒化ケイ素(Si)を使用することができる。窒化ケイ素材料は、WG−300材料(6.0×10−6/℃)や熱膨張率が更に高い金属と比較して、一般的に3.0〜3.5×10−6/℃となる低い熱膨張率を有するため、ガラスセラミック(Corning社のPyroceram(登録商標))、溶融石英を含む一般的な一体構造セラミック材料、並びに窒化ケイ素(Ceradyne社のCeralloy(登録商標))からなる新しい一体構造高温レードームのような、低CTEレードーム52材料でも良好となるであろう。
図7は、チップ12と軸受筒締結具32が使用されるレードーム52の断面図を示している。レードーム52は切頭円錐の形状を有する。レードーム52の切頭円錐の形状は、円錐形状を有するレードームの外面54によって画定される。レードーム52は、図7のレードームに示されている円錐形状を有する外面54に対向する内面56を有する。内面56は、レーダーシステムを収容するレードームの内部空間を取り囲む。外面54と内面56は、頂点面62からレードーム52の丈の対向端部に位置するベース面64まで延在する。開口部66は、レードーム52の内部空間58に向かって開いている頂点面62に設けられている。
レードーム52は、酸化セラミックマトリクス複合材料で構築されている。材料は、レードーム52の重篤な障害の可能性を取り除く連続繊維を有する。レードーム52は、レードームの構築に使用される材料によって、良好な電子信号伝送特性と低い熱膨張率を有する。
図7は、チップ12、軸受筒締結具32及びレードーム52を含むレードームチップアセンブリ68を示している。図7では、チップ12の近位部分16が、開口部66を通って、レードーム52の頂点面32に挿入されている。軸受筒締結具32がチップ近位部分16の雄ねじ面22にねじ込まれる前に、ガラス72が軸受筒締結具32の雌ねじ面44、並びに軸受筒締結具32の環状の遠位端部面42及び軸受筒締結具32の外面36に接合される。軸受筒締結具32は次に、チップ12の雄ねじ面22にねじ込まれる。軸受筒締結具32は、チップ遠位部分18がレードーム頂点面62に係合し、軸受筒締結具の外面36がレードーム52の内面56に係合するまで、チップ12の雄ねじ面22に引き続きねじ込まれる。
レードームチップアセンブリ68は次に加熱され、これにより、チップ12とレードーム52は膨張する。チップ12の熱膨張率は、レードーム52の熱膨張率をわずかに下回る。このため、熱膨張率のわずかな差によって、チップ12はレードーム52の中で緩む。加熱によりガラス72は溶けて、軸受筒締結具32をチップ12に結合し、軸受筒締結具32とチップ12を共にレードーム52に結合する。レードームチップアセンブリ68が冷えると、レードーム52の熱膨張率がわずかに大きいためガラスシール72を圧縮し、軸受筒締結具32の外面62とレードーム52の内面56に沿って、並びに軸受筒締結具32の遠位端部面42とチップ12の遠位部分18との間で、良好なシールを形成する。ガラスシール72はまた、チップ12の雄ねじ面22を軸受筒締結具32の雌ねじ面44に固定する。飛行中にチップ12が加熱されると、チップはレードーム52から緩むことはない。
更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項1. 外面と前記外面に対向する内面を有するレードーム(52)であって、前記内面によって取り囲まれる内部空間を有し、前記外面を通って前記内部空間に至る開口部を有するレードーム(52)と、
円筒形状の近位端部面と円錐形状の遠位端部面を有するチップ(12)であって、チップ(12)の近位端部面は前記レードーム(52)の前記開口部を通って前記レードーム(52)の前記内部空間へ延在するチップ(12)と、
前記レードーム(52)の前記内部空間内の前記チップ(12)の前記近位端部面上の軸受筒(32)であって、前記チップ(12)を前記レードーム(52)に取り付ける軸受筒(32)と
を含むレードームチップアセンブリ。
条項2. 前記レードーム(52)の前記内面上に圧縮力を及ぼす前記軸受筒(32)であって、前記チップ(12)の前記近位端部面に引張力を及ぼす前記軸受筒(32)
を更に含む、条項1に記載のレードームチップアセンブリ。
条項3. 円錐形状を有する前記レードーム(52)の前記内面と、
レードーム(52)の円錐形状の前記内面と相補的な関係にある円錐形状の外面を有する前記軸受筒(32)と
を更に含む、条項1に記載のレードームチップアセンブリ。
条項4. 前記軸受筒(32)と前記レードーム(52)の内面との間のガラスシール(72)
を更に含む、条項1に記載のレードームチップアセンブリ。
条項5. 雄ねじ面として構成される前記チップ(12)の前記近位端部面と、
前記軸受筒(32)を通る雌ねじ面を有する前記軸受筒(32)と
前記チップ(12)の前記雄ねじ面にねじ込まれる前記軸受筒(32)の前記雌ねじ面と
を更に含む、条項1に記載のレードームチップアセンブリ。
条項6. 円錐形状の丈を有する前記レードーム(52)であって、前記レードーム(52)の丈は頂点面と前記レードーム(52)の丈の対向端部に位置するベース面との間に延在する前記レードーム(52)と、
前記レードーム(52)の前記頂点面に取り付けられた前記チップ(12)と
を更に含む、条項5に記載のレードームチップアセンブリ。
条項7. 酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物で構築される前記チップ(12)
を更に含む、条項6に記載のレードームチップアセンブリ。
条項8. 窒化ケイ素で構築される前記チップ(12)
を更に含む、条項6に記載のレードームチップアセンブリ。
条項9. セラミックマトリクス複合材料で構築される前記レードーム(52)
を更に含む、条項8に記載のレードームチップアセンブリ。
条項10. 酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物で構築される前記軸受筒(32)
を更に含む、条項9に記載のレードームチップアセンブリ。
条項11. 窒化ケイ素で構築される前記軸受筒(32)
を更に含む、条項9に記載のレードームチップアセンブリ。
本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書中に記載され図示された装置の構築及びその装置の動作方法に様々な変更を加えることが可能であろうため、先の記述に含まれ、添付図面に示されたすべての対象となるものは、限定というよりむしろ例示として解釈されたい。したがって、本開示の幅広さ及び範囲は、上記の例示的実施形態のうちの任意のものによって限定されるべきではなく、本明細書に添付される以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ定義されるべきである。

Claims (13)

  1. レードーム(52)、
    セラミック材料から構築され、前記レードーム(52)に取り付けられたチップ(12)
    を含むレードームチップアセンブリ。
  2. 酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物である前記セラミック材料
    を更に含む、請求項1に記載のレードームチップアセンブリ。
  3. 窒化ケイ素である前記セラミック材料
    を更に含む、請求項1又は2に記載のレードームアセンブリ。
  4. 前記混合物の18%〜30%の範囲内にある前記混合物中の炭化ケイ素結晶ウィスカー
    を更に含む、請求項2又は3に記載のレードームチップアセンブリ。
  5. セラミックマトリクス複合材料から構築された前記レードーム(52)
    を更に含む、請求項2から4のいずれか一項に記載のレードームチップアセンブリ。
  6. 酸化セラミックマトリクス複合材料である前記セラミックマトリクス複合材料
    を更に含む、請求項5に記載のレードームチップアセンブリ。
  7. 前記チップ(12)と前記レードーム(52)との間のガラスシール(72)
    を更に含む、請求項2から6のいずれか一項に記載のレードームチップアセンブリ。
  8. 前記チップ(12)を前記レードーム(52)に取り付ける前記チップ(12)上の締結具(32)であって、酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物から構築される締結具(32)
    を更に含む、請求項2から7のいずれか一項に記載のレードームチップアセンブリ。
  9. 酸化アルミニウムセラミック材料と炭化ケイ素結晶ウィスカーの混合物から構築され、前記混合物中の前記炭化ケイ素結晶ウィスカーが前記混合物の18%〜30%の範囲内にある前記締結具(32)
    を更に含む、請求項8に記載のレードームチップアセンブリ。
  10. 第1の熱膨張率を有する前記チップ(12)と、
    第2の熱膨張率を有する前記レードーム(52)と
    を更に含み、
    前記第1の熱膨張率は前記第2の熱膨張率を下回る、請求項2から9のいずれか一項に記載のレードームチップアセンブリ。
  11. 円錐形状の丈を有する前記レードーム(52)であって、前記レードーム(52)の丈は頂点面と前記レードーム(52)の丈の対向端部に位置するベース面との間に延在する前記レードーム(52)と、
    前記レードーム(52)の前記頂点面に取り付けられた前記チップ(12)と
    を更に含む、請求項2から10のいずれか一項に記載のレードームチップアセンブリ。
  12. セラミックマトリクス複合材料からなるレードーム(52)であって、レードーム(52)の頂点面とレードーム(52)の丈の対向端部に位置するレードーム(52)のベース面との間に延在するレードーム(52)の円錐形状の丈を有するレードーム(52)を構築することと、
    円筒形状の近位端部面と円錐形状の遠位端部面を有する、セラミック材料からなるチップ(12)を構築することと、
    前記チップ(12)の前記近位端部面を、前記レードーム(52)の開口部を経由して、前記レードーム(52)の内部空間へ挿入することと、
    前記レードーム(52)の内面に対して係合し、前記チップ(12)を前記レードーム(52)の頂点面に取り付ける軸受筒(32)を、前記レードーム(52)の前記内部空間内で前記チップ(12)の前記近位端部面に取り付けることと
    を含む、レードームチップアセンブリの製造方法。
  13. 前記チップ(12)の前記近位端部面の上に雄ねじ面を形成することと、
    前記軸受筒(32)に雌ねじ面を形成することと、
    前記軸受筒(32)を前記チップ(12)の前記近位端部面に取り付けること、並びに前記チップ(12)の前記雄ねじ面に前記軸受筒(32)の前記雌ねじ面をねじ込むことによって、前記チップ(12)を前記レードーム(52)の前記頂点面に取り付けることと
    をさらに含む、請求項12に記載の製造方法。
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