JP3367936B2 - 減衰要素内蔵型複合構造体要素 - Google Patents
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Description
合構造体要素に関する。これは、スペースクラフト、エ
アクラフト構造体、自動車、精密機械などにおける高価
な構造的−音響的能動制御システム(active structural
-acoustic control system)並びに非音響的妨害能動制
御システム(active control non-acoustic disturbance
control system)の必要性を最小化し、及びある場合に
は排除するものである。本発明はさらに、複合構造体要
素を利用する装置及び製造方法に関する。
スクラフトの複合ペイロード整形を含む複合構造体は、
広範囲の周波数帯、高レベル加速妨害(high level acc
eleration disturbances)を受ける。スペースクラフト
のすべての複合成分は、これらの振動を抑制する十分な
減衰能を有していないので、スペースクラフトは能動的
に制御されなければならない。例えば、米国特許第5,
655,757号は、パーツの相対振動に抵抗する能動
的に制御されたダンパーを開示する。この特許は、特
に、ペイロード及びロケット打ち上げ車輌のアダプター
器具の間の振動を減衰するためのリング形状の構造体を
有する能動的に制御されたダンパーに向けられている。
めに別の問題が生じる。非常に低い固有周波数を有する
減衰されていないシステム(undamped system)は、スペ
ースクラフトの旋回中に、望ましくない長い修正時間を
必要とする。
的−音響的能動制御システム及び非音響的妨害能動制御
システムの必要性を最小化し又は場合によっては排除す
る改良された減衰要素内蔵型複合構造体要素を提供する
ことにある。本発明の複合構造体要素は、スペースクラ
フトに用いることが特に有利であるが、エアークラフ
ト、自動車及び精密機械にも有利に用いることができ
る。
れば、減衰要素内蔵型複合構造体要素は、非金属マトリ
ックスと、上記マトリックス内にありマトリックスを強
化する複数のフィラメントと、振動を減衰させるため上
記マトリックス及びフィラメントの少なくとも一方に設
けられた少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金
属と、を備える。開示された実施形態において、軽量な
金属は、好ましくは、マグネシウム合金及びアルミニウ
ム合金から成る群より選択される。優れた減衰能を得る
ために、最も好ましくは、0.1〜10重量%のジルコ
ニウムと残りが基本的にマグネシウムからなるマグネシ
ウム合金が利用される。
要素は、少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金
属で被覆された複数のフィラメントを取り巻くプラスチ
ックマトリックスを含む。フィラメント上のコーティン
グの厚みは、好ましくは、フィラメントの直径の0.1
〜100倍の間である。
は、少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属で
充填された孔を有する多孔性の非金属マトリックスを含
む。開示された実施形態において、多孔性マトリックス
は、フィラメントで強化された炭素質材料、例えば、炭
素繊維である。これは、少なくとも1%の固有減衰能を
有する軽量な金属で被覆されていてもよい。
体のように一方向に延びる連続長尺物であってもよい
し、又はフィラメントの織布を用いるように二方向に延
びるものでもよい。別の変形例としては、フィラメント
は、比較的短く、マトリックス内でランダムな方向に向
けられていてもよい。フィラメントは、好ましくは、開
示された実施形態にあるように非金属マトリックス内に
埋設された炭素繊維であるが、ガラス繊維やアラミド繊
維など他の強化繊維を用いることもできる。
は、アダプターインターフェース器具を含むロケット打
ち上げ車輌と、上記アダプターインターフェース器具に
よって上記ロケット打ち上げ車輌上に載置されたロケッ
トペイロードと、上記ロケットペイロード及び上記アダ
プターインターフェース器具の間に位置づけられていて
上記ロケット打ち上げ車輌及び上記ロケットペイロード
の間の振動を減衰させるダンパーと、を備える。ダンパ
ーは、振動を減衰させるため、少なくとも1個の本発明
による複合構造体要素を含む。
システム及び非音響的妨害能動制御システムの必要性を
最小化し又は場合によっては排除するため高い固有減衰
能を有する本発明の複合構造体要素で形成されたスペー
スクラフト用の整形、特に、ロケット、スペースクラフ
トバス及びロケットのダンパー要素の整形を含む。
要素内蔵型複合構造体要素は、金網及び上記金網上に設
けられていて要素の振動を減衰させるための少なくとも
1%の固有減衰能を有する軽量な金属を備える。開示さ
れた実施形態において、金網は、衛星アンテナの金網で
ある。金網の上には、マグネシウム合金及びアルミニウ
ム合金から成る群より選択された少なくとも1%の固有
減衰能を有する軽量な金属が、アンテナの振動を減衰さ
せるために設けられている。本発明の減衰要素内蔵型複
合構造体要素を製造する方法は、意図された目的に用い
られる場合に妨害を受ける構造体部材を準備するステッ
プと、上記構造体部材の使用中にその妨害を減衰させる
ため、上記構造体部材上に少なくとも1%の固有減衰能
を有する軽量な金属を設けるステップと、を備える。
の特徴及び利点は、本発明による幾つかの実施形態を示
す添付図面を参照することによって、以下の説明から明
らかになるであろう。
本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限
定されるものではない。
置1は、アダプターインターフェース器具3を含むロケ
ット打ち上げ車輌2を備える。ロケットペイロード4
は、アダプターインターフェース器具3によって、ロケ
ット打ち上げ車輌2上に載置されている。本発明のダン
パー5は、ロケットペイロード及びアダプターインター
フェース器具の間に位置づけられていて、ロケット打ち
上げ車輌及びロケットペイロードの間の振動を減衰させ
る。
下端部(図示せず)を有するほぼ筒状断面を有する。ペ
イロードアダプター器具3は、公知の態様で、打ち上げ
車輌2の上端部6に固定されている。打ち上げ車輌2
と、ロケットペイロード4と、ペイロードアダプター器
具3とは、長手方向軸7に沿って並んでいる。図2を参
照すれば、アダプターインターフェース器具3は、両側
の円形端部8及び9を有する円錐台形状である。円形端
部8は、円形端部9の直径よりも大きな直径を有する。
打ち上げ車輌2の上端部6は、アダプターインターフェ
ース器具3の円形端部8にしっかりと連結されている。
れていて、図3に示すようにアダプターインターフェー
ス器具3の円形端部9及びペイロード4の間に作用的に
連結されている。ダンパー5は、アダプターインターフ
ェース器具3の円形端部9と係合した第1のプラットホ
ーム表面11を有する第1のリング形状部材10を含
む。ダンパー5は、さらに、ロケットペイロード4と係
合するための第2のプラットホーム表面13を有する第
2のリング形状部材12をも含む。
は、第1及び第2のリング形状部材10及び12の周縁
の間で且つ周縁に沿って設けられている。複合構造体要
素14は、第1及び第2のリング形状部材の周りで互い
に等間隔に離隔している。各複合構造体要素14の構成
は、開示された実施形態において同じであり、それぞれ
基本的に、例えば米国特許第5,655,757号明細
書に開示されているタイプの能動制御型ダンパーの必要
性を最小化又は排除する減衰要素内蔵型のブロック形状
を有する。要素は、図2に示すように、第2のリング形
状部材12の両側に把持されて要素14を伸ばす囲包体
部材30によって、部材10及び12の間に保持されて
いる。構成成分の他の締結装置又は結合装置もまた、要
素14を定置に固着するために用いられる。
14は、図4に示す本発明の形態において、非金属マト
リックス17と、複数のフィラメント18と、要素の振
動を減衰させるため複合構造体要素のフィラメント上に
設けられた少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な
金属19とを有する。非金属マトリックス17は、好ま
しくは、射出成形可能である例えばエポキシ樹脂などの
樹脂材料である。さもなければ、フィラメント18上に
軽量な金属コーティグ19が設けられていて、複合構造
体要素を形成するものでもよい。
は、開示された実施形態においては、炭素繊維である
が、他の材料のフィラメントも上述のように用いること
ができる。図4におけるフィラメント18は、マトリッ
クス17内に一方向に延びる。フィラメントの長さは、
複合構造体要素の長手方向に沿って連続的であっても良
い。あるいは、フィラメント18は、図7に示すよう
に、マトリックス内に二方向に延びるフィラメントの織
布の形態28であっても良い。本発明の別の形態におい
て、フィラメントは、比較的短い長さを有する切断され
た繊維で、図5の実施形態に関して24で示されるよう
にマトリックス内でランダムな方向に向いていても良
い。
メント18は、それぞれ、要素の振動を減衰させるた
め、少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属で
コーティングされている。軽量な金属は、好ましくは、
マグネシウム合金及びアルミニウム合金から成る群より
選択される。下記表1は、ASTM指定によるアルミニ
ウム合金及びマグネシウム合金のリストを種々のレベル
の応力下での%で表す固有減衰能と共に示す。これら
は、要素の振動を減衰させるため、1以上の応力レベル
において少なくとも1%の固有減衰能を与える。
溶融マグネシウム合金又はアルミニウム合金でぬらす慣
用の技術によって、要素14の炭素繊維18によってコ
ーティングされる。ファイバー18は、好ましくは、炭
素繊維18の直径の0.1〜100倍の間の厚みを有す
る金属19でコーティングされる。コーティング19
は、最も好ましくは、90〜99.9重量%のマグネシ
ウムと10〜0.1重量%のジルコニウムとからなるマ
グネシウム−ジルコニウム合金である。これらの合金
は、優れた減衰能、例えば、振動エネルギーを弾性的に
吸収して、振動が金属を貫通して伝播しないようにする
能力を有する。固有減衰能は、吸収された最大エネルギ
ーに対するエネルギー損失の割合として規定される。表
1に挙げたアルミニウム合金を含む他の合金は、フィラ
メントを成功裡にコーティングするために用いることが
できる。本発明の複合構造体要素14は、最も有利な構
造体として高い剛性を有し、同時に、リング形状ダンパ
ー5を構成するために用いるための十分な減衰能を有す
ることが見いだされている。構造体における減衰量は、
複合構造体構成要素によって制御可能である。
に、第1及び第2のリング形状部材10及び12の間に
配設された複数の負荷を支えるバネ20(load-carrying
springs)(図2)を備える。負荷を支えるバネ20
は、第1及び第2のリング形状部材10及び12の周囲
で、互いに等間隔に離隔されている。負荷を支えるバネ
20は、一連の複合構造体要素14の間に互い違いに配
設されている。負荷を支えるバネ20は、要素14と共
に、第1及び第2のリング形状部材10及び12の間の
要素を支持して連結するように作用する。打ち上げ車輌
2とペイロード4との間に振動が生じると、第1及び第
2のリング形状部材10及び12は、相対的に軸方向及
び/又は横方向に移動する。この相対移動は、第1及び
第2のリング形状部材10及び12の周辺の間及び周囲
に配設されている複合構造体要素14によって減衰され
る。別の構成において、バネ20は、排除されるか、あ
るいは複合構造体要素の内側又は外側に半径方向に置か
れてもよい。かような場合には、単一で連続的な環状複
合構造体要素が、振動を減衰させるために、第1及び第
2のリング形状部材10及び12の間に固着されてもよ
い。
の形態によるダンパー5の複合構造体要素は、上述のよ
うに少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属で
充填されている孔22を有する多孔性非金属マトリック
ス16で形成されている。マトリックス16は、多孔性
炭素質材料であり、特に短い繊維24がランダムな方向
に向いていて本来的に多孔性の炭素−炭素構造体であ
る。マトリックス16の孔22は、例えば900℃のホ
ットチャンバにおける蒸着によって、あるいは軽量な金
属の溶融合金に多孔性構造体をディップすることによっ
て、軽量な金属23で充填される。図5の複合構造体要
素における炭素繊維24は、図4に示す本発明の形態に
おけるように少なくとも1%の減衰能を有する軽量な金
属でコーティングされていないが、図5に示すように少
なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属で充填さ
れた孔を有する多孔性マトリックス材料と一緒に、本発
明の変形例において、図4に示すようなコーティングさ
れたファイバーを用いることはできる。
に、1個以上の本発明の複合構造体要素で構成されたペ
イロード整形25と、衛星バス26と、展開可能な衛星
アンテナ27と、を備える。ペイロード整形25の環状
部分の断面図は、図6に示すように、例えば整形の複合
構造体における整形の周囲に一方向に伸びる長尺物のフ
ィラメント31を用いることを示す。ダンパー5のよう
に、ペイロード整形25は、好ましくは、非金属マトリ
ックスと、マトリックスを強化するためマトリックス内
にある複数のフィラメント31と、要素の振動を減衰す
る複合構造体要素のマトリックス及びフィラメントの少
なくとも一方の上に設けられている少なくとも1%の固
有減衰能を有する軽量な金属と、を備える。整形25の
構成は、図5に示す構成と同様でもよい。
は、バスの複合構造体要素を形成するために用いられる
好ましくは炭素繊維である二方向に伸びるフィラメント
の織布28の使用を示す。図3の展開可能な衛星アンテ
ナ27の部分の詳細は、図8に示す。図示されているよ
うに、展開可能なアンテナの金網29は、展開可能なア
ンテナの振動を減衰させるため、本発明による少なくと
も1%の固有減衰能を有する軽量な金属32に埋め込ま
れている。金網29は、金でコーティングされたモリブ
デンワイヤで形成されている。金網は、減衰目的のため
に、軽量な金属と展開可能なアンテナの構造体とを振動
的に結合させるように、溶融した軽量な金属に金網をデ
ィップすることによって、あるいは金網を軽量な金属と
接触させることによって、軽量な金属内に埋め込まれ
る。よって、本発明による減衰要素埋め込み型複合構造
体要素を製造する方法は、意図された目的に用いられる
場合に妨害を受ける構造体部材を準備する工程と、構造
体部材の妨害を減衰するため構造体部材上に少なくとも
1%の固有減衰能を有する軽量な金属を設ける工程と、
を備える。
する本発明の複合構造体要素は、所定の構造体システム
の要求に対して正確にあつらえられた機械的特性を備え
ながら、軽量である。例えば、本発明のスペースクラフ
トバス及びスペースクラフト整形は、離陸中の音波妨害
並びに他の妨害を減衰することができる。本発明によれ
ば、従来のスペースクラフトバスや整形の場合と比較し
て、多くの方向転換が制御可能で且つ修正時間が短い。
いて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず、当
業者には多くの変形及び変更をなす事が可能であろう。
例えば、本発明の複合構造体要素は、振動を連続的に減
衰させるため、あるいは振動の減衰を分配するため、例
えば管状、三角形、ピラミッド形、立方体など異なる形
態で用いられてもよい。連続的な固体ピースを用いるこ
とは必要ではない。種々のポリマー及び他のマトリック
ス材料を複合構造体要素に用いることができる。したが
って、上述した記載に限定されず、特許請求の範囲に包
摂される限りにおいていかなる変形及び変更がなされて
もよい。
現化するスペースクラフトの概略斜視図である。
視図であり、さらに、各々が本発明による減衰要素内蔵
型である衛星アンテナ及び衛星バスを有する衛星の形態
であるロケットペイロードを示し、また、離陸中にアコ
ースティック及び他の妨害を減衰させる本発明により構
成されたロケットのペイロード整形をも示す。
要素のフィラメントの長手方向を横断して切り取った概
略断面図であり、少なくとも1%の固有減衰能を有する
軽量な金属が複合物の非金属マトリックス内のフィラメ
ント上に設けられている状態を示す。
造体要素を貫通する概略断面図であり、多孔性炭素−炭
素構造体の孔がマグネシウム−ジルコニウム合金で充填
されている状態を示す。
スクラフトのペイロード整形の環状部分を貫通する概略
断面図であり、整形の複合構造体における整形の周りに
例えば円周方向などの一方向に延びる連続する1本のフ
ィラメントを示す。
面図であり、バスの複合構造体要素を形成するために用
いられる二方向に延びるフィラメントの織布を示す。
断面図であり、特に、図3の展開可能な衛星アンテナの
断面図であり、アンテナの振動を減衰させるため、少な
くとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属に埋設され
ている展開可能なアンテナの金網を示す。
Claims (16)
- 【請求項1】 減衰要素内蔵型複合構造体要素であっ
て、 非金属マトリックスと、 上記マトリックスを強化するための上記マトリックス内
の複数のフィラメントと、 複合構造体要素の振動を減衰するため、複合構造体要素
の上記マトリックス及び上記フィラメントの少なくとも
1個上に設けられている少なくとも1%の固有減衰能を
有する軽量な金属と、 を備えることを特徴とする複合構造体要素。 - 【請求項2】 請求項1の複合構造体要素であって、前
記軽量な金属は、マグネシウム合金及びアルミニウム合
金からなる群より選択されることを特徴とする複合構造
体要素。 - 【請求項3】 請求項2の複合構造体要素であって、前
記軽量な金属は、0.1〜10重量%のジルコニウムを
含み、残余が基本的にマグネシウムであるマグネシウム
合金であることを特徴とする複合構造体要素。 - 【請求項4】 請求項1の複合構造体要素であって、前
記マトリックスは、前記軽量な金属で充填されている孔
を有する多孔性材料であることを特徴とする複合構造体
要素。 - 【請求項5】 請求項4の複合構造体要素であって、前
記マトリックスは、炭素質材料であることを特徴とする
複合構造体要素。 - 【請求項6】 請求項1の複合構造体要素であって、前
記フィラメントは、炭素繊維であることを特徴とする複
合構造体要素。 - 【請求項7】 請求項1の複合構造体要素であって、前
記フィラメントは、前記マトリックス内で一方向に延在
することを特徴とする複合構造体要素。 - 【請求項8】 請求項1の複合構造体要素であって、前
記フィラメントは、前記マトリックス内でランダムな方
向に向いていることを特徴とする複合構造体要素。 - 【請求項9】 装置であって、 アダプターインターフェース器具を含むロケット打ち上
げ用車両と、 上記アダプターインターフェース器具によって、上記ロ
ケット打ち上げ用車両に載置されているロケットペイロ
ードと、 上記ロケット打ち上げ用車両及び上記ロケットペイロー
ドの間の振動を減衰するために、上記ロケットペイロー
ド及び上記アダプターインターフェース器具の間に配置
されていて、減衰要素内蔵型複合構造体要素を含むダン
パーと、を備え、 上記減衰要素内蔵型複合構造体要素は、非金属マトリッ
クスと、上記マトリックス内にあり上記マトリックスを
強化する複数のフィラメントと、要素の振動を減衰する
ため上記マトリックス及び上記フィラメントの少なくと
も1個上に設けられていてる少なくとも1%の固有減衰
能を有する軽量な金属と、を備えることを特徴とする装
置。 - 【請求項10】 請求項9の装置であって、前記軽量な
金属は、マグネシウム合金及びアルミニウム合金からな
る群より選択され、前記フィラメント及び前記マトリッ
クスの少なくとも1個上にコーティングされていること
を特徴とする装置。 - 【請求項11】 請求項10の装置であって、前記マト
リックスは、前記軽量な金属で充填されている孔を有す
る多孔性炭素質材料であることを特徴とする装置。 - 【請求項12】 装置であって、 アダプターインターフェース器具を含むロケット打ち上
げ用車両と、 上記アダプターインターフェース器具によって、上記ロ
ケット打ち上げ用車両上に載置されているロケットペイ
ロードと、 上記ロケットに連結されていて、上記ロケットペイロー
ドの周りに延在し、減衰要素内蔵型複合構造体要素を備
えるロケット整形と、を備え、 上記複合構造体要素は、非金属マトリックスと、上記マ
トリックス内にありマトリックスを強化する複数のフィ
ラメントと、上記フィラメント及び上記マトリックスの
少なくとも1個の上に設けられていて、マグネシウム合
金及びアルミニウム合金からなる群より選択される少な
くとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属と、を備え
ることを特徴とする装置。 - 【請求項13】 請求項12の装置であって、前記マト
リックスは、前記軽量な金属で充填されている孔を有す
る多孔性炭素質材料であることを特徴とする装置。 - 【請求項14】 非金属マトリックスと、上記マトリッ
クス内にあり上記マトリックスを強化する複数のフィラ
メントと、複合構造体要素の振動を減衰する、上記マト
リックス及び上記フィラメントの少なくとも1個の上に
設けられていて、マグネシウム合金及びアルミニウム合
金からなる群より選択される少なくとも1%の固有減衰
能を有する軽量な金属と、を含む複合構造体要素を備え
るスペースクラフトバス。 - 【請求項15】 減衰要素内蔵型複合構造体要素であっ
て、 金網と、 要素の振動を減衰させるため、上記金網上に設けられて
いる少なくとも1%の固有減衰能を有する軽量な金属
と、 を備えることを特徴とする複合構造体要素。 - 【請求項16】 請求項15の複合構造体要素であっ
て、 前記複合構造体要素は展開可能な衛星アンテナであり、 前記金網は、金でコーティングされたモリブデンワイヤ
から形成されていて、 前記金網上に設けられている軽量な金属は、マグネシウ
ム合金及びアルミニウム合金からなる群より選択され
る、ことを特徴とする複合構造体要素。
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