JP2505556B2 - 多層断熱材 - Google Patents

多層断熱材

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野） この発明は、セラミックス繊維充填物のような封入さ
れた多孔質の層のパケットから成る宇宙飛行物体を絶縁
する多層断熱材に関する。
〔従来の技術〕
例えば、所謂再突入本体用の多層熱絶縁は、既に種々
の実施態様で知られている。この多層絶縁は、単層絶縁
に比べて、同じ重量のとき、熱絶縁が著しく向上する。
今まで知られている応用は、例えば大地または真空
（MKI）中で使用する場合、一定圧に関連している。宇
宙飛行物体が再突入すると、多層絶縁物宗での圧力は飛
行高度に応じて変化し、熱伝導はこの多層絶縁物中にあ
るガスにより大きくなる。一定の飛行高度と一定の層を
選択した場合、例えば全熱伝導に対するガスの熱伝導が
半分の寄与に達する。
典型的な再突入軌道では、空力学的加熱の最大値は、
比較的高い飛行高度（約75〜65km）で、しかもそれに応
じて低圧のところにある。反面、低い飛行高度で、しか
も圧力の高いと、外壁は非常に弱く加熱されか、あるい
は実際のところ冷却される。
これ等の全ての実施態様では、比較的大きな重量コス
トの外に、宇宙飛行物体の寸法を無視できないほど増大
にさせる必要がある。即ち、細胞状にした外壁にかなり
厚い層を付けるので、宇宙飛行本体の直径が無視できな
いほど大きくなるか、あるいは利用できる内部空間が狭
くなる。
米国特許第4344591号明細書によると、蜂の巣状のサ
ンドイッチ・パネルと金属箔または繊維箔から成る多層
熱絶縁系が知られている。この場合でも、重量と寸法は
非常に大きくなっている。
〔発明の課題〕
この発明の課題は、大気圏再突入物体に対する加熱遮
断設計思想にあって、高または中飛行高度でガスの熱伝
導を抑制し、輻射による熱伝導を低減し、重量を軽減す
るだけでなく、再突入の遷移期間に熱保護系に貯えた熱
を低飛行高度で、主に外部を放出する、冒頭に述べた類
の多層熱絶縁体を提供することにある。
〔課題を解決する手段〕
上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた類の多
層熱絶縁体にあって、封入体14中の各多層絶縁体パケッ
トの繊維充填物11が高反射性でガス透過性の箔12で分離
されていて、宇宙飛行物体100の流れに浸る外部表面か
ら内部に向けて、繊維充填物中で繊維の直径が減少する
か、繊維充填物の密度が上昇するか、あるいは繊維の直
径が減少して繊維充填物の密度が上昇することにより解
決されている。
この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の
従属請求項に記載されている。
〔実施例〕
以下、一実施例を図面に示し、この発明による多層熱
絶縁体をより詳しく説明する。
第1a図と第1b図は大気圏で再突入する宇宙飛行物体10
0を示す。この飛行物体の表面には所謂加熱保護シート
が設けてあり、このシールドの下に、この例では、多層
熱絶縁体101がある。この多層熱絶縁体101は宇宙飛行物
体100の特定の表面位置で、図面から理解できるよう
に、種々の温度に曝される。ここに提唱する設計思想
は、特に圧力が急上昇し、低圧で最大値を有する繊維温
度負荷の場合に著しい改良を与える。図面から分かるよ
うに、各部には同じように加熱負荷が加わるだけでな
く、それに応じて個々の表面に生じる温度に経験的に合
わせたパケット10がそれに応じて飛行物体の表面に配設
されている。即ち、宇宙飛行物体の機首の領域、翼桁お
よび尾翼に配設された加熱構造体と、固定板または屋根
板から成る通常の構造体と、可撓性の絶縁構造体との間
では異なる。最初に述べた二つの領域の何ずれに対して
も、以下に詳しく説明するように、パケットは特別に構
成されている。事実、どのパケット10もセラミックス繊
維充填物11の多層から成り、この充填物は高反射性の、
主に穿孔された金属箔12で互いに分離されている。この
箔の層密度は、宇宙飛行物体の細胞状の外壁から見て、
外から内に向けてその繊維直径と共に減少している。多
層の絶縁パケット10の各々セラミックス繊維充填物11は
高温側でAl2O3繊維が多い部分を有し、これに反し低温
側でSiO2繊維が多い部分を選ぶ。
第２図は提唱する多層絶縁材の実施例を模式的に示
す。セラミックス繊維充填物の形状の約0.1〜1cm厚さの
多孔性の層は、高反射性で穿孔された金属箔12で分離さ
れている。この「層の束」をパケット10の形にした封入
体14は金属箔とポリイミド発泡板13で構成されている。
このように封入されたパケット10は、第３図から分かる
ように、宇宙飛行船の構造体とその機械的な負荷を受け
止める加熱シールド表面との間にある。これに対して、
多層絶縁体中またはパケット10の中には貫通個所15が配
設されている。この貫通個所は宇宙飛行船の構造体に必
要な間隔保持体用に装備されている。
第４図には、隣合った２つのパケット10の間に所謂隙
間充填物16をどのように配置するかがを示してある。こ
れ等の充填物は、セラミックス繊維充填物16aと穿孔さ
れた金属箔16bで形成されている。この隙間充填物16と
ポリイミド発泡板13とを介して多層絶縁材または多層熱
絶縁材101への空気の出し入れが行われる。
特に有利な実施例では、層を分離するため、非常に薄
い金属化された、例えばカプトン箔（400℃まで）また
は金属箔を使用し、約550℃までの温度に対してほぼ５
μｍの厚さのアルミニウム箔を使用することが提案され
ている。約900℃までの温度に対して約５μｍの厚さの
金箔が推奨されている。ニッケル箔も使用できるが、こ
の箔は約25μｍの厚さとなる。約1350℃までの温度で
は、例えば約30μｍの厚さの白金を被覆したTZM箔、あ
るいは好ましくは白金を被覆したセラミックス繊維織物
も使用できる。
更に、セラミックス繊維充填物11が高温側でAl2O3繊
維の多い成分と、低温側でSiO2繊維またはボロシリケー
ト・ガラス繊維の多い成分を有すると特に効果的で有利
である。このような繊維充填物は簡単に入手できる。問
題の解決を最適にするため、セラミックス繊維充填物11
の密度、即ち繊維充填物を外から内に向けて、ここに提
唱する実施例の場合、8kg/m3から40kg/m3まで増加させ
る必要がある。他方、繊維の平均直径は外から内に向け
て、この場合４μｍから0.4μｍ以下まで低下させる必
要がある。従って、50km以下の飛行高度と低下した空気
熱的な加熱に対して、多層絶縁体101中に既に貯えた熱
は、主に外に放出される。更に、箔の数が内側より外側
で多いと有利である。
繊維の充填なしでは、輻射熱流qv（熱放出率ε＝0.
1）に対する伝導熱流qcの比が、図２に示すような幾何
学配置にあってT1＝800℃,T2＝700℃および間隔Δｘ＝1
cmを有する二つの金属箔または噴射箔12の間でほぼ等し
い。前記繊維充填物11によりqcは、第５図のグラフから
理解できるように、圧力、繊維直径、繊維の方法および
多孔性に依存して低下する。
金属製の輻射箔12の代わり、例えばカプトンのような
非常に薄い支持箔にも、400℃またより高温でガラス繊
維の織物とセラミックス繊維の織物に金属蒸着してもよ
い。更に、セラミックス層に高反射性の粒子を添加して
もよい。多孔性の層と反射性の箔を縫い付けるかあるい
は点状に接着して強度を上昇させることができる。
ここに提唱する実施例により、宇宙飛行物体が大気圏
に再突入する繊維期間にあって、高い飛行高度で非常に
効果的であり、熱保護系に貯えた熱が低い飛行高度で主
に外部に放出される多層熱絶縁物101が提供される。こ
うして、構造の高さと重量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
第1a図、区別するためハッチングを付けた表面の下に多
層熱絶縁体を使用し、大気圏へ再投入する宇宙飛行物体
の模式側面図、 第1b図、宇宙飛行物体の上部の区別された多層配置を有
し、中心線から下で宇宙飛行物体の下部の区別された多
層配置を有する第1a図の宇宙飛行物体の模式図、 第２図、一部を断面図にした多層絶縁パケットの模式構
造の斜視図、 第３図、層の密度が上昇する方向と繊維の直径が減少す
る方向を付随させた間隔保持体領域のパケットの断面
図、 第４図、所謂隙間充填物を有する二つのパケットが付き
合わさる領域での絶縁パケットの部分断面図、 第５図、低温での空気圧に依存する繊維マットの熱伝導
度の典型的な傾向のグラフであり、記号○と＋はモデル
計算値、●は実験的に求めた値、実線と破線はセラミッ
クス繊維充填物で異なった繊維方位に対するλ値を示
す。 図中引用記号 10……パケット 11……セラミックス充填物 12……金属箔 13……ポリイミド発泡体 14……封入体 15……割れ目 16……隙間充填物 100……宇宙飛行物体 101……多層熱絶縁材

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】セラミックス繊維層のような封入された多
    孔質の層のパケットから成る宇宙飛行物体を絶縁する多
    層断熱材において、封入体（14）中の各多層絶縁体パケ
    ットの繊維充填物（11）が高反射性でガス透過性の箔
    （12）で分離されていて、宇宙飛行物体（100）の流れ
    に浸る外部表面から内部に向けて、繊維充填物中で繊維
    の直径が減少するが、繊維層の密度が上昇するか、ある
    いは繊維の直径が減少して繊維層の密度が上昇すること
    を特徴とする多層断熱材。
  2. 【請求項２】最小比重の繊維の材料は、使用する繊維材
    料の許容使用温度に応じて、主に以下のように選択さ
    れ、非常に高温，例えば約1100℃の加熱側でより多量の
    Al2O3繊維成分と低温側でより多量のSiO2繊維成分を有
    することを特徴とする請求項１に記載の多層断熱材。
  3. 【請求項３】繊維充填物（11）中の繊維は、例えば低温
    側でパケット（10）の高さ方向に対してできる限り垂直
    に向いていることを特徴とする請求項１または２に記載
    の多層断熱材。
  4. 【請求項４】繊維充填物（11）に使用されるセラミック
    ス繊維は全部または一部が高反射性の状態で被覆されて
    いることを特徴とする請求項１〜３の何ずれか１項に記
    載の多層断熱材。
  5. 【請求項５】低密度のセラミックス繊維製の繊維充填物
    （11）には高反射性の粒子が包埋されていることを特徴
    とする請求項１〜４の何ずれか１項記載の多層断熱材。
  6. 【請求項６】高反射性の箔（12）として、 ａ）使用可能な最低厚さの金属箔、例えば約550℃の温
    度までで５μｍのアルミ箔、約900℃まで５μｍの金ま
    たは銅の箔か、あるいは25μｍのニッケル箔、および約
    1350℃の温度までで30μｍの白金被覆TZM箔、 ｂ）被覆またはイオン注入で特殊処理された表面を有す
    る使用可能な最低厚さの金属箔、 ｃ）使用可能な最低厚さの金属被覆された支持箔、例え
    ば約400℃の温度までアルミ表面処理されたカプトンお
    よびより高温用に貴金属（AuまたはPt類）を蒸着したガ
    ラス繊維の織物とセラミックス繊維の織物、 が使用されていることを特徴とする請求項１〜５の何ず
    れか１項に記載の多層断熱材。
  7. 【請求項７】パケット（10）の高温側には低温側より多
    数の幅射箔が配設されているかあるいは繊維充填物の密
    度を高めて熱輻射を低減していることを特徴とする請求
    項１〜６の何ずれか１項に記載の多層断熱材。
  8. 【請求項８】パケット（10）の封入体（14）は金属箔と
    主にポリイミド発泡材製の防水含浸された弾性的な底板
    （13）から成り、隣接する二つの多層断熱パケット（1
    0）の間に同じ様にセラミックス繊維充填物（16a）と穿
    孔された金属箔（16b）から成る隙間充填物（16）が挿
    入されていることを特徴とする請求項１〜７の何ずれか
    １項に記載の多層断熱材。
  9. 【請求項９】高温で安定な織物製の封入体（14）は、例
    えば「ネクステル・サック（Nextel−Sack）」から成る
    ことを特徴とする請求項１〜８の何ずれか１項に記載の
    多層断熱材。
  10. 【請求項１０】パケット（10）の機械強度は箔（12,16
    b）を有する繊維充填物（11,16a）を縫うか、あるいは
    点状に接着して高められていることを特徴とする請求項
    １〜９の何ずれか１項に記載の多層断熱材。
  11. 【請求項１１】セラミックス繊維充填物（11）は低温側
    に高濃度の硼素シリカガラス繊維成分を有することを特
    徴とする請求項１〜10の何ずれか１項に記載の多層断熱
    材。
  12. 【請求項１２】セラミックス繊維充填物（11）の層密度
    は外部から内部に向けて約8kg/m3から40kg/m3まで増加
    することを特徴とする請求項１〜11の何ずれか１項に記
    載の多層断熱材。
  13. 【請求項１３】セラミックス繊維の平均繊維直径は外部
    から内部に向けて約４μｍから約0.4μｍに減少するこ
    とを特徴とする請求項１〜12の何ずれか１項に記載の多
    層断熱材。
  14. 【請求項１４】繊維充填物（11,16a）を他の種類の温度
    安定性の多孔質層で置き換えることができ、その時は前
    記多孔質層が種々の飛行高度で空気伝導による熱伝導を
    阻止でき、飛行高度が高い場合、外部層に対して、また
    飛行高度が低い場合、内部層に対して阻止できることを
    特徴とする請求項１〜13の何ずれか１項に記載の多層断
    熱材。
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