JP2018179349A

JP2018179349A - 飛しょう体用レドームリング及びその製造方法

Info

Publication number: JP2018179349A
Application number: JP2017076586A
Authority: JP
Inventors: 矢野　健一郎; Kenichiro Yano; 健一郎矢野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】近年の飛しょう体は、飛しょう時間の増加及び飛しょう速度の高速化に伴い、飛しょう体に加わる空力加熱が増加し、飛しょう体の温度も増加している。このためレドームとレドームリングを接合する部位に大きな熱応力が加わるという問題があった。
【解決手段】熱膨張率の異なる材料Ｘ、材料Ｚ、材料Ｙを積層して飛しょう体用レドームリングを成形し、シェルと接する部分は材料Ｘのみを残して加工し、レドームと接する部分は材料Ｚのみを残して加工する。これにより熱膨張差が小さい部分でレドームとレドームリング、レドームリングとシェルを接合することができ、接合部に発生する熱応力を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、飛しょう体用のレドームを保持するレドームリング及びその製造方法に関する。

飛しょう体用のレドームは、飛しょう体先端部に設けられるレーダの使用電波を透過するとともにレーダ用アンテナを外囲環境から保護する。飛しょう体用レドームは、飛しょう体の胴体を構成するシェルに対して、レドームリングにより接合される。

飛しょう体は、飛しょう開始後に短時間で超音速や極超音速に達するため、空力加熱により瞬時に高温に晒される。レドームは、飛しょう体の先端部に在るため飛しょう体において最も大きな空力荷重、熱衝撃を受ける。例えばマッハ５程度で飛しょうする場合、レドームの空気温度は１０００℃を超える。このためレドームの材料には、耐熱性と電波透過性を兼ね備えた誘電体材料、具体的にはアルミナ、コージェライト、ヒューズドシリカ焼結体等のセラミックスが使用される。

セラミックスは、一般に熱膨張率が低く、０．１×１０^−６〜２×１０^−６／Ｋ程度の値を有する。一方、シェルの材料には、軽量化とコストの観点からアルミニウム合金が使用されている。アルミニウム合金の熱膨張率は、２３×１０^−６／Ｋ程度である。このように飛しょう体のレドームとシェルには、大きな熱膨張差があり、両者を直接接合した構造の場合、飛しょう中の空力加熱により温度が上昇し、接合部に大きな熱応力が生じる。
このため、高剛性で熱膨張率が４×１０^−６〜１０×１０^−６／Ｋ程度のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を材料としたレドームリングを介在して、レドームとシェルを接合することで、熱応力を緩和した飛しょう体が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平２−１６６８０６号公報

近年、飛しょう時間の増加、飛しょう速度のさらなる高速化から、従来よりも飛しょう体に加わる空力加熱が増加し、それに伴い飛しょう体のシェルが高温度に晒されている。熱膨張率の高いアルミニウム合金が使用されるシェルは、熱膨張により径方向外側に向かって膨張するように変形する。

シェルの変形とともに、レドームリングも径方向外側に向かって膨張するように変形する。このためレドームとレドームリングを接合する部位に大きな熱応力が加わる。レドームは、変形しないうちに破壊する性質を持つ脆性材料のセラミックスを使用している。このためレドームが当該熱応力に耐えることができず、場合により破壊してしまうといった強度上の課題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであって、シェルの熱膨張により発生する熱応力を低減するレドームリングを提供することを目的とする。

本発明による飛しょう体用レドームリングは、飛しょう体用のレドームが接して固着し、上記レドームに近い第１の熱膨張率を有する第１の層と、飛しょう体の胴体のシェルが接して接合し、上記シェルに近い第２の熱膨張率を有する第２の層と、上記第１の層と第２の層の間に積層され、上記第１の層と第２の層の間の熱膨張率を有する第３の層と、を備えたものである。

本発明によれば、レドームとレドームリングを接合する部位に生じる熱応力を低減することができ、脆性材料を使用したレドームの破壊を抑制することができる。

実施の形態１による飛しょう体の構成を説明する構成図である。実施の形態１によるレドームリングの形状を説明する図である。実施の形態１によるレドームリングの積層状態を説明する図である。実施の形態１によるレドームリングの加工について説明する図である。実施の形態１によるレドームリングとシェルの締結部分、及びレドームリングとレドームの嵌め合い接着部分の断面図と、レドームリング及びシェル、レドームの熱膨張率を説明する図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による飛しょう体の構成を説明する図である。図１において、飛しょう体１００は、胴体を構成する本体３０と、本体３０の先端部もしくは飛しょう体１００の前方部に取り付けられたレドーム１から構成される。本発明の説明に不可欠ではない飛しょう体の構成については、その記載を省略している。

レドーム１は、本体３０の先端部に設けられたレーダの使用電波を透過するとともに、レーダ用アンテナを外囲環境から保護する。レドーム１は円錐筒形状をなす。シェル３は、本体３０の円筒形状の外殻を構成する。シェル３は、その代表外形よりも小径の突出部４０を、飛しょう体１００の前方部側の前縁部に有する。

レドームリング２は、前端面と後端面が開放した円筒形状のリングである。レドームリング２は、前端面方向（図１の左側方向）または後端面方向（図１の右側方向）からみた場合に、厚みを持ったリング材によって円形を成している。レドームリング２は、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）を複数層積層して形成する。

レドームリング２の前端部は、レドーム１の後端部の内周面に嵌合し、レドーム１が接着される。また、レドームリング２の後端部は、シェル３の突出部４０の外周面に嵌合し、シェル３とねじ締結部材により締結される。

ここで、レドーム１の後端部の内周面の内径寸法は、レドームリング２の外径に嵌め合う寸法であり、レドームリング２の後端部の内径寸法は、シェル３の突出部４０の外径に嵌め合う寸法である。すなわち、レドーム１の後端部の内周面の内径寸法は、シェル３の突出部４０の外径寸法よりも大きい。

断熱材４は、レドームリング２の外周における、レドーム１の後端部とシェル３の前端部側外周との間に嵌め込まれ、レドームリング２の外周に固着される。断熱材４は、レドームリング２の空力加熱による温度上昇を防ぐ。

実施の形態１による飛しょう体は、レドーム１の部分とシェル３の部分とを、レドームリング２を介して接合している。
本実施の形態１において、レドーム１の材料は、耐熱性と電波透過性を兼ね備えた誘電体材料、具体的には、アルミナやコージェライト、ヒューズドシリカ焼結体等のセラミックス（熱膨張率：０．１×１０^−６〜２×１０^−６／Ｋ程度）である。

また、シェル３は、軽量化とコストの観点からアルミニウム合金（熱膨張率：２３×１０^−６／Ｋ程度）が使用される。レドーム１とシェル３には大きな熱膨張差があり、両者を直接接合した構造では、飛しょう中の空力加熱により温度が上昇した場合、接合部に大きな熱応力が生じる。このため、当該熱応力を緩和する目的でレドームリング２がレドーム１とシェル３の間に配置される。

図２は、実施の形態１によるレドームリング２の形状を示すものである。図２に示すように、レドームリング２は、円形の上面と下面が共に開放された円筒形状を成す。そして、円筒形状のレドームリング２の円筒側面には、レドームリング２とシェル３をねじ締結するために、ねじ締結用のボルトを通す穴５が複数設けられている。また、レドームリング２の断面６は、レドーム１に接する第１の層９とシェル３に接する第３の層７から構成される。

図３は、実施の形態１によるレドームリング２の積層体２００の構造を示すものである。
図３に示すように、レドームリング２は、第１の層９と第２の層８と第３の層７を積層して成形される。第１の層９は熱膨張率の異なる材料Ｚから構成される。第２の層８は熱膨張率の異なる材料Ｙから構成される。第３の層７は熱膨張率の異なる材料Ｘから構成される。
例えば、第１の層９、第２の層８及び第３の層７は、材料Ｚ、材料Ｙ及び材料Ｘのプリプレグを積層し、オートクレーブにより高温及び真空圧で硬化成形する。
ここで、第３の層７はシェル３と接する部分であるため、材料Ｘとしてシェル３に近い熱膨張率を持つ材料、例えばタングステン合金の短繊維強化プラスチックを使用する。
また、第１の層９はレドーム１と接する部分であるため、材料Ｚとしてレドーム１に近い熱膨張率を持つ材料、例えばＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を使用する。
さらに、第２の層８は材料Ｘと材料Ｚの間に積層する材料Ｙである。

また、材料Ｘと材料Ｚの熱膨張差を緩和するため、徐々に熱膨張率が小さくなるように、材料Ｘと材料Ｚの間に材料Ｙを積層した材料の集合とする。
例えば、シェル３の熱膨張率をαa、レドーム１の熱膨張率をαb、第３の層７の材料Xの熱膨張率をαx、第１の層９の材料Ｚの熱膨張率をαzとする。また、第２の層８の材料Ｙを、シェル３側から材料y1、材料y2、材料y3を複数積層した材料とし、それぞれの熱膨張率をαy1、αy2、αy3とする。
この場合、熱膨張率の大小関係はαa≒αx＞αy1＞αy2＞αy3＞αz≒αbとなる。

図４は、実施の形態１によるレドームリング２の加工物３００の加工手順を説明する図である。図３においてレドームリング２の積層体２００を形成した後、図４に示すような加工物３００への加工を行う。
まず、第１の工程において、第１の層９と第２の層８と第３の層７を積層し、積層体２００を形成する。
次に、第２の工程において、第１の層９の下側にカッターを当てて切断、切削及び引き剥がし（ピーリング）等を行って、第２の層８（材料Ｙ）の一部と第３の層７（材料Ｘ）の一部を除去する加工を行う。
更に、第３の層７の上側にカッターを当てて切断、切削及び引き剥がし（ピーリング）等を行って、第１の層９（材料Ｚ）の一部と第２の層８（材料Ｙ）の一部を除去する加工を行う。

かくして、シェル３と接する部分は、第３の層７のみを残して、積層体２００から第１の接合部（後述する）における第２の層８及び第１の層９を除去するようにレドームリング２を加工する。また、レドーム１と接する部分は、第１の層９のみを残して、積層体２００から第２の接合部（後述する）における第３の層７及び第２の層８を除去する。
なお、第１の層９と第２の層８と第３の層７の加工による端面形状は、熱応力解析を用いて決定することが望ましい。

図５は、実施の形態１によるレドーム１とレドームリング２の嵌め合い接着及びレドームリング２とシェル３を嵌合及び締結した場合の断面図を示す。
図５に示すように、レドームリング２のレドーム１と接する部分（前述の第２の接合部）は、上述の通り、第１の層９の材料Ｚのみで構成されている。材料Ｚの熱膨張１２はレドーム１の熱膨張１３と同等となる。
第３の工程において、レドームリング２の第１の層９は第２の接合部においてレドーム１と接着により固着する。

また、レドームリング２のシェル３と接する部分（前述の第１の接合部）は、上述の通り、第３の層７の材料Ｘのみで構成されている。材料Ｘの熱膨張１０はシェル３の熱膨張１１と同等となる。
第４の工程において、レドームリング２の第３の層７は第１の接合部においてシェル３とねじ締結により接合する。

以上より、熱膨張差が小さい第２の接合部で、レドーム１とレドームリング２を接着により接合するとともに、熱膨張差が小さい第１の接合部で、レドームリング２とシェル３を接着により接合する。これにより、シェル３の熱膨張によって当該第１、第２の接合部に発生する熱応力を低減することができる。
また、レドームリング２の第３の層７の材料Ｘと第１の層９の材料Ｚの間に、第２の層８の材料Ｙを使用し、積層する。第２の層８の材料Ｙは、第３の層７の材料Ｘの熱膨張率と第１の層９の材料Ｚの熱膨張率の間の熱膨張率を有する。
これによって、レドームリング２内の層間の熱膨張差が小さくなり、層間で発生する材料の剥離を抑えることができる。

本実施の形態１による飛しょう体用レドームリングは、飛しょう体用のレドーム１が接して固着し、上記レドーム１に近い第１の熱膨張率を有する第１の層９と、飛しょう体の胴体のシェル３が接して接合し、上記シェル３に近い第２の熱膨張率を有する第２の層７と、上記第１の層９と第２の層７の間に積層され、上記第１の層９と第２の層７の間の熱膨張率を有する第３の層８と、を備えたことを特徴とする。また、上記レドーム１は上記第１の層９に接着され、上記シェル３は上記第２の層７にねじにより締結されることを特徴とする。

また、飛しょう体用のレドーム１が第１の接合部にて接して固着し、上記レドーム１に近い第１の熱膨張率を有する第１の層９と、飛しょう体の胴体のシェルが第２の接合部にて接して接合し、上記シェルに近い第２の熱膨張率を有する第２の層７と、上記第１の層９と第２の層７の間に積層され、上記第１の層９と第２の層７の間の熱膨張率を有する第３の層８と、を備えた飛しょう体用レドームリングの加工方法であって、上記第１、第２、及び第３の層を積層して積層体２００を形成する工程と、上記積層体２００から第１の接合部における第２，第３の層７，８の一部を除去し、上記積層体から第２の接合部における第１，第３の層９，８の一部を除去する工程と、上記第１の層９に上記レドーム１を接着する工程と、上記第２の層７に上記シェル３を締結する工程とを備える。

これによって、レドームとレドームリングを接合する部位に生じる熱応力を低減することができ、脆性材料を使用したレドームの破壊を抑制することができる。

１レドーム、２レドームリング、３シェル、４断熱材、５レドームリングとシェルを締結する穴、６レドームリングの断面、７第３の層、８第２の層、９第１の層、１００飛しょう体、２００積層体、３００加工物。

Claims

飛しょう体用のレドームが接して固着し、上記レドームに近い第１の熱膨張率を有する第１の層と、
飛しょう体の胴体のシェルが接して接合し、上記シェルに近い第２の熱膨張率を有する第２の層と、
上記第１の層と第２の層の間に積層され、上記第１の層と第２の層の間の熱膨張率を有する第３の層と、
を備えた飛しょう体用レドームリング。
上記レドームは上記第１の層に接着され、上記シェルは上記第２の層にねじにより締結されることを特徴とする請求項１記載の飛しょう体用レドームリング。
飛しょう体用のレドームが第１の接合部にて接して固着し、上記レドームに近い第１の熱膨張率を有する第１の層と、
飛しょう体の胴体のシェルが第２の接合部にて接して接合し、上記シェルに近い第２の熱膨張率を有する第２の層と、
上記第１の層と第２の層の間に積層され、上記第１の層と第２の層の間の熱膨張率を有する第３の層と、
を備えた飛しょう体用レドームリングの加工方法であって、
上記第１、第２、及び第３の層を積層して積層体を形成する工程と、
上記積層体から第１の接合部における第１、第２の層の一部を除去し、上記積層体から第２の接合部における第２、第３の層の一部を除去する工程と、
上記第１の層に上記レドームを接着する工程と、
上記第２の層に上記シェルを締結する工程と、
を備えた飛しょう体用レドームリング。