JP3572517B2

JP3572517B2 - 飛行体用レドーム

Info

Publication number: JP3572517B2
Application number: JP2001097456A
Authority: JP
Inventors: 淳後藤; 舜一板東; 収桜井
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002299938A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機や飛行船等の飛行体に使用するレドームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や飛行船等の飛行体は、航法設定や情報交換のための地上や衛星との電波のやり取りや対物走査のためのレーダー等の電波の送受信システムを必要とする。一般的に図１０に示すようにそれらの電波送受信システム２０は、外部との電波２１の送受信を行うために機体の表面に設置されることから、電波送受信システム２０を厳しい飛行環境から保護するレドーム２２が必要となる。図１１に一般的な航空機に設置されるレドームの代表的な位置を示す。レドームは主に電波の送受信方向により、鼻部２３、背部２４、腹部２５および尾部２６等に設置される。また、設置場所の制約や機体の影響を受け難くするために、できる限り離れた端部に設置したいとの要求から、主翼、尾翼等の翼端２７に設置されることもあり、その場合には翼端２７内に電波送受信システムが埋め込まれ、翼端２７の壁面自身がレドームとして使用される場合もある。いずれの場合のレドームにしても、航空機の部品であることから軽量であることの要求のほかに、電波送受信システムを厳しい飛行環境から保護するために、電波特性としては電波透過率に優れること、機械的な特性としては空力的な荷重や異物の衝突荷重に耐える強度特性、温度変化や湿潤環境に対する耐候性や雨滴や塵等との高速衝突に耐えるエロージョン特性が求められる。
【０００３】
従来より航空機の機体構造材としては、軽量かつ高強度であるために、ハニカムコアと繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）面板からなるサンドイッチ構造体が多用されている。特にレドームでは、主に電波特性の要求から図１２に示すようにガラス繊維ＦＲＰ製のハニカムコア２８と、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板２９からなるサンドイッチ構造体３０が一般に採用されている。また、適用場所や形状により雨滴等による表面損傷が起こると予想される鼻部等のレドームに対しては、３００μｍ〜４００μｍといった非常に厚い主にウレタン製の耐エロージョン塗装３１が施されている。この耐エロージョン塗装３１は、施工中のふくれ防止とその膜厚を確保するために、薄塗り→乾燥の工程を２０回程度繰り返すことが必要であり、非常に手間のかかる作業である。
【０００４】
ところが、これらの材料構成からなるレドームには、地上と成層圏を往復する間に大きな環境変化（１気圧、プラス４０℃から１／１０気圧、マイナス５４℃）を伴う長期運用により、下記の問題があることが判ってきた。
▲１▼ 運用中の吸湿によりガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板２９の強度が劣化する。
▲２▼ 耐エロージョン塗装３１や面板２９での微細な割れの発生により、ハニカムコア２８内に湿気を含む空気が侵入し、その水分の結露→凝固→結露の悪循環により、ハニカムコア２８内が徐々に浸水する。
▲１▼の問題点については、予めこの強度劣化を見込んだ上で設計する必要があるため、バージン強度を確保する場合、厚板構造とする必要があり、重量とコストの点で不利である。また、▲２▼の問題は、特に航空機性能を劣化させる重量増加やレーダー特性を劣化させる電波透過性の劣化等を引き起こし、最終的には浸水の凍結によるハニカムコア２８と面板２９の剥離を生じ、飛行安全性が損なわれることから、航空機を運航するユーザーにとっても大きな問題となっている。従って、▲１▼定期点検にて検出されるハニカムコア２８内の浸水はセル毎に、面板２９の穴明け→水抜き→穴ふさぎといった非常に手間のかかる補修を必要とするとともに、▲２▼補修個所は板厚や重量増となるために補修によりレドームとしての本来の特性を取り戻すことは原理的に不可能である。
【０００５】
また、根本的にガラス繊維ＦＲＰ製のハニカムコア２８を用いたサンドイッチ構造体３０では、下記の問題点があり、理想的なレドームを製作することは不可能であった。
▲１▼ 膜厚大（３００μｍ〜４００μｍ）のウレタン製の耐エロージョン塗装３１の電波透過性は極めて悪く、電波送受信システム全体の感度を低下させる大きな原因となっている。
▲２▼ ガラス繊維強化エポキシ樹脂製のハニカムコア２８について、厚み方向の機械加工が困難であることと、ハニカムコア２８のセル壁の影響により電波特性に異方性があることから、レドーム壁面全体の電波透過率を一定にすることができなかった。
▲３▼ 特に数ＧＨｚから４０ＧＨｚといった高周波領域を含む広帯域用のレドームの場合には図１３に示すようにハニカムコア２８と面板２９を複数層化することが原理的に有効であること（＝各層間の電波の透過・反射を利用して適した周波数帯を広げること）が知られているが、ハニカムコア２８の場合には、異層に配置されるハニカムのセル（＝ガラス繊維強化エポキシ樹脂壁面）の位置が規則性無くずれることから、複数層からなるレドームを実現することは不可能であった。
▲４▼ 航空機の背部や腹部や尾部に設置するレドームの場合、できるだけ電波透過性を稼ぐためにハニカムのセル壁に電波が通らないようにするには、図１４に示すようにレドーム３２の壁面を機体３３に対して大きい迎え角度にて装着する必要があり、レドーム３２は機体３３の飛行方向から気流３４を受け、空気抵抗による運行性能の低下（最高速度や燃費の低下）を引き起こす。
▲５▼ ガラス繊維強化エポキシ樹脂製のハニカムコア２８は元々成形が難しく、翼端形状のような三次元の形状で曲率が小さな部品形状の成形加工が不可能であり、このような形状品にはソリッドのＦＲＰ構造体が使用されているが、重量的にハンディがあるとともに、電波透過特性も悪くなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、浸水の無い構造で、電波特性及び強度特性に優れた高性能の飛行体用レドームを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の飛行体用レドームは、曲率の小さな単層又は複数層の曲面サンドイッチ構造体になされ、コアがポリエーテルイミド発泡材より成り、コアの両面を挾んでいる面板がシアネート樹脂のＦＲＰより成ることを特徴とするものである。
【０００８】
上記の飛行体用レドームにおいて、コアのポリエーテルイミド発泡材は密度５０ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３であることが好ましく、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板はシアネート樹脂を重量比で３０％〜６０％含有したプリプレグで製造したＦＲＰ面板であることが好ましい。
【０００９】
上記本発明の飛行体用レドームにおいて、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板における強化繊維は、ガラス繊維又は石英繊維であることが好ましい。
【００１０】
上記本発明の飛行体用レドームにおいて、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板の板厚と、ポリエーテルイミド発泡材より成るコアの板厚は、レーダー電波の放射方向において同一になされていることが好ましい。
【００１１】
上記本発明の飛行体用レドームにおいて、外壁面に、１０μｍ〜１５０μｍの耐エロージョン塗装が施されていることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の飛行体用レドームの一実施形態を図１によって説明すると、１は曲率の小さな単層の曲面サンドイッチ構造体２に形成された飛行体用レドームで、曲面サンドイッチ構造体２のコア３は、ポリエーテルイミド発泡材より成り、このコア３の両面を挾んで一体化している面板４はシアネート樹脂のＦＲＰより成る。この飛行体用レドーム１の曲面サンドイッチ構造体２は、ポリエーテルイミド発泡材より成るコア３の気泡が独立気泡であることから、化学的のみならず物理的にも内部に水が進入することがなく、従来のハニカムコアのサンドイッチ構造体で大問題となっている浸水を防ぐことができる。また、ポリエーテルイミド発泡材より成るコア３は、従来のガラス繊維製のハニカムコアと比較して、下記の表１に示すように航空機のレーダーシステムとしてよく使われている１０ＧＨｚの電波に対して比誘電率が数割低く、誘電損は数分の１であり、電波特性に優れていることが判る。
【００１３】
【表１】

【００１４】
このポリエーテルイミド発泡材より成るコア３は、下記の表２に示すように５ＧＨｚから４０ＧＨｚといった広帯域の電波に対しても安定な比誘電率と誘電損の値を持ち、高分解能が要求される高周波数領域を含む広帯域においても優れた電波特性を有する。従って、飛行体用レドームは性能が高いものとなる。
【００１５】
【表２】

【００１６】
本発明の飛行体用レドームの他の実施形態を図２によって説明すると、１′は曲率の小さな複数層の曲面サンドイッチ構造体２′に形成された飛行体用レドームで、曲面サンドイッチ構造体２′はポリエーテルイミド発泡材より成るコア３と、このコア３の両面を挾むシアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４が交互に配され一体化されているものである。この飛行体用レドーム１′の複数層の曲面サンドイッチ構造体２′もポリエーテルイミド発泡材より成るコア３の存在により前述のように浸水を防ぐことができ、また５ＧＨｚから４０ＧＨｚといった高周波数領域を含む広帯域の電波に対して安定な比誘電率と誘電損の値を持ち、電波特性に優れているので、飛行体用レドーム１′は性能が高いものとなる。
【００１７】
上記本発明の飛行体用レドーム１，１′において、曲面サンドイッチ構造体２，２′のコア３のポリエーテルイミド発泡材は、密度５０ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３であることが好ましい。この限定理由について説明すると、下限の密度５０ｋｇ／ｍ^３は、図３のポリエーテルイミド発泡材の密度と高温圧縮強度（２００℃）との関係を示すグラフで判るように、コアの成形時の温度（２００℃）にて成形圧力（約１ｋｇｆ／ｃｍ^２）に耐えるには、５０ｋｇ／ｍ^３以上の密度のコアが必要であることから決定した。上限の密度８０ｋｇ／ｍ^３は、従来レドームに使用されているガラスＦＲＰ製のハニカムコアの密度が、７２ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３であることから、この上限の８０ｋｇ／ｍ^３を超える密度のポリエーテルイミド発泡材を使用することは、従来材に対して重量的なメリットがなくなることから決定した。
【００１８】
また、上記本発明の飛行体用レドーム１，１′において、曲面サンドイッチ構造体２，２′のＦＲＰより成る面板４のシアネート樹脂の含有量は、重量比で３０％〜６０％であることが好ましい。この限定理由について説明すると、下限の重量比３０％は、図４のシアネート樹脂プリプレグの樹脂含有率とＦＲＰの繊維体積率との関係を示すグラフで判るように、航空機用に使われるＦＲＰの繊維体積率が通常６０ｖｏｌ％前後であることからすると、シアネート樹脂のプリプレグにおいては、３０ｗｔ％程度の樹脂含有率が必要となることから決定した。しかも実際にはコア３の表面の気泡をシアネート樹脂で埋める必要があり、かつ所定の接着強度を得るためには、この３０ｗｔ％が下限の値となる。上限の重量比６０％について詳述すると、図５のａに示すようにポリエーテルイミド発泡材コア３の表面に露出している発泡穴５を、ＦＲＰ製面板４（図１参照）となるプリプレグ６中のシアネート樹脂７で図５のｂに示すように埋める必要がある。この埋めるべきコア３の表面の穴体積は、コア３の密度によって異なるが、気泡の直径は約２００μｍであり、樹脂含有率の上限として考えるならば、１枚のプリプレグ６に下記の２点を満足する樹脂を含有する必要がある。
▲１▼ 約１００μｍの樹脂膜を形成できる（＝ランダムに存在する約２００μｍの直径の気泡を必ず埋めることができる）。
▲２▼ 繊維体積率５５％以上のＦＲＰ製面板を形成できる。
そして、１００μｍの膜厚の樹脂膜を形成するには、図６のシアネート樹脂プリプレグの樹脂含有率と形成可能な樹脂膜厚との関係を示すグラフで判るようにプリプレグ６中には約６０ｗｔ％の樹脂含有率のシアネート樹脂が必要である。
【００１９】
然して、上記本発明の飛行体用レドーム１，１′において、曲面サンドイッチ構造体２，２′のシアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４における強化繊維は、ガラス繊維又は石英繊維であることが好ましい。シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４は下記の表３で判るように従来材料であるガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板に比べ室温（ＲＴＤ）の強度に優れる。特に、設計時の強度標定となる吸湿後の高温強度特性（ＨＴＷ）は非常に優れており、室温強度に対して約８割の強度を保持する。また、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４は、従来のガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板に比べ比誘電率が低く、誘電損は１／２以下であり、電波特性に優れる。そして同じシアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４でも強化繊維が石英繊維とガラス繊維によって特性が異なり、石英繊維の方がガラス繊維よりも全般的に特性に優れる。しかし、コストが高いために、必要とされる特性とコストを吟味した上で、強化繊維を石英繊維とガラス繊維の中から選定するとよい。
【００２０】
【表３】

【００２１】
本発明の飛行体用レドームの別の好ましい実施形態を図７によって説明すると、この飛行体用レドーム１″は、曲率の小さな単層の曲面サンドイッチ構造体２″に形成され、この曲面サンドイッチ構造体２″のシアネート樹脂のＦＲＰより成る面板４の板厚とポリエーテルイミド発泡材より成るコア３の板厚は、レーダー電波８の放射方向において同一になされている。つまり、レーダー電波８の作動全域にわたり飛行体用レドーム１″の壁内の電波透過距離Ｔが一定になされている。
【００２２】
上記構成の飛行体用レドーム１″にて図７に示されるように電波送受信システム９を厳しい飛行環境から保護すると、飛行体用レドーム１″はレーダー電波８の作動全域にわたり電波透過率が一定となって、電波特性が著しく向上し、高性能なものとなる。この図７に示す形状の飛行体用レドーム１″は、曲面サンドッチ構造体２″のコア３が加工性に極めて優れる（カッターにて切断可能であり、研摩紙にて仕上げ可能である）ことから、板厚を正確に加工することが可能で、この加工したコア３の両面に、未硬化のシアネート樹脂のプリプレグ面板を配し、加熱硬化成形して接合することにより容易に曲面サンドイッチ構造体２″とすることができるので、製作性に何ら問題はない。尚、曲面サンドイッチ構造体２″は、上記の製作方法をとるので、任意の部分の厚さを変えることができることから、電波透過性を部分的に制御したり、レンズ効果によりレーダー電波を集めることも可能である。
【００２３】
前述のように本発明の飛行体用レドームは、電波特性に優れるので、壁内の電波透過距離が長くなっても電波特性が劣化することがないため、図８に示すように飛行体用レドーム１を機体１０の表面に対して小さい抑え角度で装着することができる。従って、飛行体用レドーム１の空気抵抗が少なくなり、航空機の運行性能の向上（最高速度や燃費の向上）を実現できる。
【００２４】
本発明の飛行体用レドーム１，１′，１″は、前述の通り電波特性が良好であることから形状設計が容易であり、そもそもエロージョン塗装を無くすことのできる部位を広げることが可能となる。また、機体形状との取り合わせの制約のために航空機の鼻部２３（図１１参照）等に設置されるため、エロージョン塗装が必須の場合でも、根本的に浸水性がないことから、図９に示すように飛行体用レドームの曲面サンドイッチ構造体２，２′，２″の外側の面板４上に、膜厚１０μｍ〜１５０μｍの耐エロージョン塗装１１を施すことにより、電波特性を損なうことなくエロージョンに対して対処することができる。この耐エロージョン塗装１１の膜厚を１０μｍ〜１５０μｍとした理由について説明すると、下限１０μｍは、航空機の機体表面塗装の主な施工方法であるスプレー塗装において、１回の処理にて塗装可能な膜厚である。これ以上薄い膜厚を得るには特殊技術が必要であり、航空機部品に適用する必要性はない。上限１５０μｍは、通常の航空機の機体表面に対して行われるウレタン塗装の膜厚が５０μｍ〜１５０μｍ程度であり、特殊技術を必要とせず安価な標準的な手法により達成可能な厚さである。そして、この耐エロージョン塗装１１は、航空機運行時の目視点検により塗装の損傷部のみを補修することにより容易に原状回復でき、電波特性を損なうことなくエロージョンに対して対処できて、レドームを高性能に維持できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明の飛行体用レドームは、曲率の小さな単層又は複数層の曲面サンドイッチ構造体になされ、コアが電波特性に優れたポリエーテルイミド発泡材より成り、このコアの両面を挾んだ面板が強度特性に優れ且つ電波特性に優れたシアネート樹脂のＦＲＰより成るので、数ＧＨｚから４０ＧＨｚの高周波領域を含む広帯域で使用できて性能が高いものである。特に、コアのポリエーテルイミド発泡材の密度を５０ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３とし、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板のシアネート樹脂の含有量を重量比で３０％〜６０％としたものにあっては、コアの電波特性がより優れたものとなり、面板の強度特性及び電波特性がより優れたものとなり、飛行体用レドームはより高性能なものとなる。さらに、この飛行体用レドームにあって、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板の板厚と、ポリエーテルイミド発泡材より成るコアの板厚を、レーダー電波の放射方向において同一になしたものは、電波送受信システムのレーダー電波の作動全域にわたり電波透過率が一定となって、電波特性が著しく向上し、極めて高性能なものとなる。また、本発明の飛行体用レドームにおいて、外壁面に１０μｍ〜１５０μｍの耐エロージョン塗装が施されたものにあっては、航空機の鼻部等に設置されても電波特性を損なうことなくエロージョンに対して対処できてレドームを高性能に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の飛行体用レドームの一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の飛行体用レドームの他の実施形態を示す図である。
【図３】ポリエーテルイミド発泡材の密度と高温圧縮強度（２００℃）との関係を示すグラフである。
【図４】シアネート樹脂プリプレグの樹脂含有率とＦＲＰの繊維体積率との関係を示すグラフである。
【図５】ａはポリエーテルイミド発泡材のコアとシアネート樹脂のＦＲＰ面板となるプリプレグとのサンドイッチ化前の状態を示す図、ｂはサンドイッチ化後の状態を示す図である。
【図６】シアネート樹脂プリプレグの樹脂含有率と形成可能な樹脂膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の飛行体用レドームの別の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の飛行体用レドームを機体の表面に対して小さい抑え角度で装着した状体を示す図である。
【図９】本発明の飛行体用レドームの外壁面に耐エロージョン塗装を施した状態を示す部分拡大図である。
【図１０】一般的な電波送受信システムとレドームの関係を示す図である。
【図１１】一般的な航空機に設置されるレドームの代表的な位置を示す図である。
【図１２】ガラス繊維ＦＲＰ製のハニカムコアとガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板からなる従来レドームのサンドイッチ構造体を示す図である。
【図１３】ガラス繊維ＦＲＰ製ハニカムコアとガラス繊維強化エポキシ樹脂製面板による複数層のサンドイッチ構造体を示す図である。
【図１４】従来のサンドイッチ構造体によるレドームの機体装着例を示す図である。
【符号の説明】
１，１′，１″ 飛行体用レドーム
２，２′，２″ 曲面サンドイッチ構造体
３ポリエーテルイミド発泡材より成るコア
４シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板
５発泡穴
６プリプレグ
７シアネート樹脂
８レーダー電波
９電波送受信システム
１０機体
１１耐エロージョン塗装

Claims

曲率の小さな単層又は複数層の曲面サンドイッチ構造体になされ、コアがポリエーテルイミド発泡材より成り、コアの両面を挾んでいる面板がシアネート樹脂のＦＲＰより成ることを特徴とする飛行体用レドーム。
ポリエーテルイミド発泡材が密度５０ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３であり、シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板がシアネート樹脂を重量比で３０％〜６０％含有したプリプレグで製造したＦＲＰ面板であることを特徴とする請求項１記載の飛行体用レドーム。
シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板における強化繊維が、ガラス繊維又は石英繊維であることを特徴とする請求項１又は２記載の飛行体用レドーム。
シアネート樹脂のＦＲＰより成る面板の板厚と、ポリエーテルイミド発泡材より成るコアの板厚が、レーダー電波の放射方向において同一になされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の飛行体用レドーム。
飛行体用レドームの外壁面に、１０μｍ〜１５０μｍの耐エロージョン塗装が施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の飛行体用レドーム。