JP3899858B2 - 飛しょう体用レドーム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、飛しょう体のレドームに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は飛しょう体用レドームの構造の説明図である。1はセラミックレドーム、2はセラミックレドーム1にはめあい接着されたリング、3はリング2と嵌合され締結固定された飛しょう体本体である。
【0003】
図6はセラミックレドーム1、リング2、飛しょう体本体3の間で生じる熱応力の発生状態を説明する図であり、セラミックレドーム1、リング2、飛しょう体本体3のつなぎの部分の断面図である。
【0004】
飛しょう体が超音速で飛しょうすると空力加熱により飛しょう体は加熱される。たとえばマッハ4程度で飛しょう中に先端部の空気温度は1000℃を越え、耐熱性と電波透過性を兼ね備えるレドーム材料はセラミックしか存在しない。セラミックは一般に熱膨張率が低く、1×10−6から4×10−6 /℃程度の値を有する。一方、飛しょう体本体3は軽量化、コストの観点からアルミ合金で製造されることが一般的である。アルミ合金は20×10−6程度の値を有する。このようにセラミックレドーム1と飛しょう体本体3の間には大きな熱膨張率の差があり、両者を直接連結した構造においては、空力加熱により温度が上昇すると、大きな熱応力が生じる。そのためセラミックレドーム1と飛しょう体本体3の間に両者の熱応力を緩和するリング2を配置する。
【0005】
空力加熱を受けたとき、セラミックレドーム1の熱膨張量ア、リング2の熱膨張量イ、飛しょう体本体3の熱膨張量ウは図の矢印のごとくとなり、セラミックレドーム1とリング2間の熱応力エ、リング2と飛しょう体本体3間の熱応力オとがそれぞれの熱膨張量の差に応じて発生する。セラミックレドーム1の熱膨張量ア、リング2の熱膨張量イの差が小さいので、強度の低い脆性材料であるセラミックレドーム1とリング2の間の熱応力は小さく抑えることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
飛しょう体が高速になり、空力加熱が厳しくなるにつれて、セラミックレドーム1の保護のために、リング2の熱膨張率はセラミックとより同等に近づける必要がある。このことにより、リング2と飛しょう体本体3の間の熱膨張率差が大きくなり、かつ空力加熱が厳しくなっていることの相乗で、リング2と飛しょう体本体3間の熱応力が大きくなるという強度上の問題が発生する。
【0007】
この発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、リングと飛しょう体本体の間に生じる熱応力を低減する飛しょう体用レドームを提案するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明による飛しょう体用レドームは、所定の熱膨張率を有する材料で形成され、飛しょう体本体の先端に配置されるレドームと、前記レドームの熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する材料で形成された前記飛しょう体本体と前記レドームとを結合するリングとを具備した飛しょう体用レドームにおいて、前記リングは、前記レドームに近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第1のシート状基材と前記飛しょう体本体と近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第2のシート状基材とを有し、前記第1及び第2のシート状基材は前記レドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記第1、第2の基材の熱膨張率が近似するレドーム及び飛しょう体本体側に配置され、さらに前記第1のシート状基材と前記第2のシート状基材の積層厚比を漸次変化させるものである。
【0009】
第2の発明による飛しょう体用レドームは、所定の熱膨張率を有する材料で形成され、飛しょう体本体の先端に配置されるレドームと、前記レドームの熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する材料で形成された前記飛しょう体本体と前記レドームとを結合するリングとを具備した飛しょう体用レドームにおいて、前記リングは、前記レドームに近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第1の繊維と前記飛しょう体本体と近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第2の繊維とを有し、前記第1及び第2の繊維は前記レドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記第1、第2の繊維の熱膨張率が近似するレドーム及び飛しょう体本体側に配置され、さらに前記第1の繊維と前記第2の繊維の積層厚比を漸次変化させるものである。
【0010】
第3の発明による飛しょう体用レドームは、所定の熱膨張率を有する材料で形成され、飛しょう体本体の先端に配置されるレドームと、前記レドームの熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する材料で形成された前記飛しょう体本体と前記レドームとを結合するリングとを具備した飛しょう体用レドームにおいて、前記リングは、前記レドームに近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第1の繊維と前記飛しょう体本体と近似する熱膨張率を有する複合材料で形成される第2の繊維とを有し、前記第1及び第2の繊維は前記レドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記第1、第2の繊維の熱膨張率が近似するレドーム及び飛しょう体本体側に配置され、さらに前記第1の繊維と前記第2の繊維の配合比を漸次変化させるものである。
【0011】
第4の発明による飛しょう体用レドームは、材料として、セラミックを使用するものである。
【0012】
第5の発明による飛しょう体用レドームは、第1のシート状基材及び第1の繊維の材料として、低熱膨張率の材料と、第2のシート状基材及び前記第2の繊維の材料として、高熱膨張率の材料とを使用することを特徴とするものである。
【0013】
第6の発明による飛しょう体用レドームは、低熱膨張率の材料として、炭素繊維を基材とした複合材料製からなるものである。
【0014】
第7の発明による飛しょう体用レドームは、高熱膨張率の材料として、ガラス繊維を基材とした複合材料製からなるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1と図2を用いてこの発明に係わる実施の形態1について説明する。図1はこの実施の形態におけるリング2の構成を示す断面図であり、図において4は低熱膨張率シート状基材、5は高熱膨張率シート状基材である。図2はこの実施の形態における熱応力の発生状態を説明する図である
【0016】
まず図1において、この発明の実施の形態1の構成を説明する。図において、低熱膨張率シート状基材4をセラミックレドーム1側に配置し、高熱膨張率シート状基材5を飛しょう体本体3側に配置する。基材を積層するにあたり、低熱膨張率シート状基材4と高熱膨張率シート状基材5の各層毎の長さ比を漸次変化させ積層する。この積層構成のため、断面カにおける低熱膨張率シート状基材4と高熱膨張率シート状基材5の面積比は、方向キに進むにつれ高熱膨張率シート状基材5が漸増する。高熱膨張率シート状基材5の面積比が漸増するに従い、リング2の熱膨張率も低熱膨張率から高熱膨張率へ漸増する。
ここで使用する低熱膨張率シートの材料としては、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)があり、熱膨張率は0.2×10−6 /℃程度の値を有する。一方、高熱膨張率シートの材料としては、GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)があり、熱膨張率は8×10−6 /℃程度の値を有する。
【0017】
次に図2において、この発明の実施の形態1における熱応力の発生状態を説明する。リング2の熱膨張率が漸増するため、空力加熱を受けたとき、リング2の熱膨張量は図中イのように漸増する。セラミックレドーム1とリング2が重なる領域とその近傍では、熱膨張量が同等となるため、熱応力エが低減される。リング2と飛しょう体本体3が重なる部分とその近傍においては、セラミックレドーム1の熱膨張量アと飛しょう体本体3の熱膨張量ウの熱膨張量差に比べ、リング2の熱膨張量イと飛しょう体本体3の熱膨張量ウの差は小さくなっており、熱応力オも低減される。
【0018】
ここで、リング2は炭素繊維やガラス繊維を基材とする複合材料で成型し、金属材料より小さい熱膨張率を有し、さらに炭素繊維を基材とする複合材料であれば、セラミックと同等の熱膨張率を有するものもあり、セラミックレドーム1と同等ないしは少し大きい熱膨張率を有するものを使用する。
【0019】
よって、超音速で飛しょうする飛しょう体のレドームにおいて、リングを構成する低熱膨張率シート状基材と高熱膨張率シート状基材の積層厚比を漸次変化させることにより、リングの熱膨張率を漸次変化させセラミックレドームとリング間、リングと飛しょう体本体間、リング自体に生じる熱応力を低減することができる。
【0020】
実施の形態2.
図3を用いてこの発明に係わる実施の形態2について説明する。図3はこの実施の形態におけるリング2の構成を示す断面図であり、図において6は低熱膨張率繊維、7は高熱膨張率繊維である。
【0021】
図3において、この発明の実施の形態3の構成を説明する。図において、リング2はフィラメントワインディング法により基材が成形されている。軌跡クに従い低熱膨張率繊維6を巻き、途中で高熱膨張率繊維7に繋ぎ替え軌跡ケに従い積層し、途中で再び低熱膨張率繊維6に繋ぎ替え軌跡コに従い積層する。同様な工程を繰り返し外周まで積層する。基材を積層するにあたり、各層における低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の長さ比を漸次変化させ積層する。この積層構成のため、断面カにおける低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の面積比は、方向キに進むにつれ高熱膨張率繊維7が漸増する。高熱膨張率繊維7の面積比が漸増するに従い、リング2の熱膨張率も低熱膨張率から高熱膨張率へ漸増する。
ここで使用する低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の材料および熱膨張率は実施の形態1で使用の低熱膨張率シートおよび高熱膨張率シートで使用のものと同じものである。
【0022】
セラミックレドーム1、リング2、飛しょう体本体3に生じる熱応力が低減される説明は実施の形態1と同じである。
【0023】
さらに、リング2の炭素繊維やガラス繊維を基材とする複合材料で成型し、熱膨張率のセラミックレドーム1や飛しょう体本体3との関係は、実施の形態1と同じである。
【0024】
以上によれば、超音速で飛しょうする飛しょう体のレドームにおいて、リングを構成する低熱膨張率繊維と高熱膨張率繊維の積層厚比を漸次変化させることにより、リングの熱膨張率を漸次変化させセラミックレドームとリング間、リングと飛しょう体本体間、リング自体に生じる熱応力を低減することができる。
【0025】
実施の形態3.
図4を用いてこの発明に係わる実施の形態3について説明する。図4はこの実施の形態におけるリング2の構成を示す断面図であり、図において6は低熱膨張率繊維、7は高熱膨張率繊維である。
【0026】
図4において、この発明の実施の形態3の構成を説明する。図において、リング2はレジントランスファーモールディング法により成形されている。基材を織るあたり、低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の配合比を方向キに沿って漸次変化させ織込む。この積層構成のため、断面カにおける低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の面積比は、方向キに進むにつれ高熱膨張率繊維7が漸増する。高熱膨張率繊維7の面積比が漸増するに従い、リング2の熱膨張率も低熱膨張率から高熱膨張率へ漸増する。
ここで使用する低熱膨張率繊維6と高熱膨張率繊維7の材料および熱膨張率は実施の形態2で使用のものと同じものである。
【0027】
セラミックレドーム1、リング2、飛しょう体本体3に生じる熱応力が低減される説明は実施の形態1と同じである。
【0028】
さらに、リング2の炭素繊維やガラス繊維を基材とする複合材料で成型し、熱膨張率のセラミックレドーム1や飛しょう体本体3との関係は、実施の形態1と同じである。
【0029】
これにより、超音速で飛しょうする飛しょう体のレドームにおいて、リングを構成する低熱膨張率繊維と高熱膨張率繊維の積層厚比を漸次変化させることにより、リングの熱膨張率を漸次変化させセラミックレドームとリング間、リングと飛しょう体本体間、リング自体に生じる熱応力を低減することができる。また基材の織込みは、普通の布と同様の工程であるため、2種の繊維の配向の変化は自由度は高く、また容易にできる。
【0030】
【発明の効果】
この発明によれば、リングと飛しょう体本体の間に生じる熱応力を低減する飛しょう体用レドームが実現可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1を示す説明図である。
【図3】 この発明の実施の形態2を示す構成図である。
【図4】 この発明の実施の形態3を示す構成図である。
【図5】 従来の飛しょう体用レドームを示す構成図である。
【図6】 従来の飛しょう体用レドームの説明図である。
【符号の説明】
1 セラミックレドーム、 2 リング、 3 飛しょう体本体、 4 低熱膨張率シート状基材、 5 高熱膨張率シート状基材、 6 低熱膨張率繊維、
7 高熱膨張率繊維
Claims (2)
- 所定の熱膨張率を有する材料で形成され、飛しょう体本体の先端に配置されるセラミックレドームと、前記セラミックレドームの熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する材料で形成された前記飛しょう体本体と前記セラミックレドームとを結合するリングとを具備した飛しょう体用レドームにおいて、
前記リングは、
前記セラミックレドームに近似する熱膨張率を有しCFRPを基材とした低熱膨張率の複合材料で形成される第1のシート状基材と前記飛しょう体本体と近似する熱膨張率を有しGFRPを基材とした高熱膨張率の複合材料で形成される第2のシート状基材とを有し、
前記第1のシート状基材が前記セラミックレドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記セラミックレドーム側に配置され、
前記第2のシート状基材が前記セラミックレドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記飛しょう体本体側に配置され、
さらに前記セラミックレドームと前記飛しょう体本体の間で、前記第1のシート状基材に対する前記第2のシート状基材の積層厚比が機軸方向に前記飛しょう体本体に向かって漸次増加する部分を有するように、前記第1、第2のシート状基材が積層されて形成されたことを特徴とする飛しょう体用レドーム。 - 所定の熱膨張率を有する材料で形成され、飛しょう体本体の先端に配置されるセラミックレドームと、前記セラミックレドームの熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する材料で形成された前記飛しょう体本体と前記セラミックレドームとを結合するリングとを具備した飛しょう体用レドームにおいて、
前記リングは、
前記セラミックレドームに近似する熱膨張率を有しCFRPを基材とした低熱膨張率の複合材料で形成される第1の繊維と前記飛しょう体本体と近似する熱膨張率を有しGFRPを基材とした高熱膨張率の複合材料で形成される第2の繊維とを有してレジントランスファーモールディング法により成形され、
前記第1及び第2の繊維は前記レドームと飛しょう体本体との間にあって、かつ前記セラミックレドーム及び飛しょう体本体側に配置され、
さらに前記セラミックレドームと前記飛しょう体本体の間で、前記第1の繊維に対し前記第2の繊維の配合比が機軸方向に前記飛しょう体本体に向かって漸次増加するように成形されたことを特徴とする飛しょう体用レドーム。
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