JP4576015B2 - Radiation-insulated thermal protection structure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は輻射断熱式熱防護構造体に関し、宇宙機等の外板内面に熱防護材として適用され、表面の熱が内部へ流入するのを効果的に防止するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、宇宙機等の開発が進み、宇宙機、等の大気との摩擦により外板に生ずる高熱が外板の内面へ伝達するのを防止する研究がなされているが、充分な対策が確立されていないのが現状である。図5は宇宙機や航空機の断熱対策を施した構造の一例を示す断面図であり、図において、30は機体の外板で、カーボン繊維やカーボンマトリックス(C/C)、又はカーボンやSiC(C/SiC)、等の耐熱材料から構成されている。31は輻射断熱材で、綿や織布等の耐熱材料の積層物からなり熱の内部への侵入を防止している。32は主構造フレームであり、機体の主構造部材となっている。33は耐熱用のファスナであり、耐熱金属からなり、外板30と輻射断熱材31との間に所定の空間34を保って外板30を主構造フレーム32へ固定している。このような断熱構造はスタンドオフTPS(輻射断熱式熱防護材)と呼ばれ、熱の外板内部への侵入を防止する対策として開発されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、宇宙機の外板構造としては輻射断熱を利用したスタンドオフTPSの開発が進められており、この開発では外板内面の輻射率を低減することが重要となっている。
そこで本発明では外板の内面に低輻射率のコーティングを施すことにより、内部への熱流入を低減させ、スタンドオフTPSが1450℃程度の高温状態におかれても安定して機能を発揮できる輻射断熱式熱防護構造体を実現することを課題としてなされたものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するために、次の(1)〜(5)の手段を提供する。
【0005】
(1)機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内、外両表面に形成されたSiCコーティング膜と、同内側SiCコーティング膜の表面に形成され、Al2 O3 又はY2 SiO5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたPt コーティング膜とを有することを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【0006】
(2)前記外板がC及びSiCの材料からなる(1)記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【0007】
(3) 機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内表面に形成されたAl2 O3 又はY2 SiO5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたPt コーティング膜とを有し、且つ、前記外板がSiC繊維及びSiCマトリックスからなることを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【0008】
(4)前記中間層コーティング膜の厚さは50〜100μmの範囲にあることを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【0009】
(5)前記Pt コーティング膜の厚さは1〜10μmの範囲にあることを特徴とする(1)から(3)記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【0010】
本発明の(1)においては、外板の内,外表面のSiCコーティング膜は、外板の耐酸化性を付与して外板の内,外両表面を保護し、内側のSiCコーティング膜に施された中間層コーティング膜はSiCコーティング膜とPt コーティング膜との層間の反応を抑える作用を行う。又、Pt コーティング層は低輻射率を有するもので、外板から中間層を伝わってくる熱の空間部への放射を小さくして、機体内部への熱の流入を減少させるものである。このような輻射断熱式熱防護構造体により機体の外板に生ずる高温、例えば1450℃程度の高温度に対しても熱防護構造が効果的に機能するようになる。
【0011】
又、本発明の(2),(3)のように外板の材料がC/SiC、SiC/SiC系のものであっても、Pt コーティングと材料との間には中間層が形成されているので、上記(1)の発明と同様の効果を奏するものであり、又、(4)の発明では、中間層コーティング膜が高温で加熱されても割れや、剥離が発生しにくい50〜100μmの厚さに選定されるものであり、(5)の発明では、Pt コーティング膜の厚さが1〜10μmの範囲であれば、高温で加熱されても割れや剥離が発生しにくく、熱の内部への流入の減少がより効果的となるものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の実施の第1形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、1はC/C基材であり、カーボン繊維やカーボンマトリックスからなり、図5に示す機体の外板30に相当する基材である。2はSiCコーティングで外板表面にコーティングされる耐熱コーティングである。3は同じくSiCコーティングであり、C/C基材1の内側にコーティングされる。これらSiCコーティング2,3は基材1に対して耐酸化性を付与するためのものである。
【0013】
4は中間層コーティングで、アルミナ(Al2 O3 )又はイットリュームシリケート(Y2 SiO5 )をCVD(Chemical Vapor Deposition )法あるいは溶射によりコーティングを行って形成する。5は白金(Pt )コーティングであり、Pt は常温では0.05程度の低い輻射率を示し、1000℃以上の高温でも0.2程度の低い輻射率を示す材料である。このPt コーティング5はPVD(Phisical Vapor Deposition)法により薄膜を形成している。Pt コーティング5の厚さは後述するように1〜10μmの範囲の厚さに形成するのが良好といえる。
【0014】
上記構成の中間層コーティング4はSiCコーティング3とPt コーティング5との層間反応防止用のもので、比較的厚めのコーティングが可能な溶射法か、緻密なコーティングが可能なCVD法により形成する。溶射法によるコーティングでは、,100μmの厚さにすると1000℃以上の高温下で剥離が発生せず、良好な被膜が形成され、又、CVD方法によれば、数μ〜数10μmの緻密な成膜が可能である。いずれの方法にしても、中間層コーティング4の膜厚は50〜100μmの範囲のものが1000℃程度の高温下において剥離が発生せず最適の範囲といえる。
【0015】
上記に説明の実施の第1形態の構成において、機体の外板30に相当するC/C基材1の内側にSiCコーティング3を施し、その表面に中間層コーティング4を形成し、その表面に低輻射率のPt コーティング5を施して輻射断熱式熱防護構造体を構成したので、基材1の表面が1450℃程度の高熱40にさらされたとしても、SiCコーティング3とPt コーティング5との間の層間の反応を防止すると共に、低輻射率のPt コーティング5により熱の内部への流入を減少させることができる。
【0016】
図2は本発明の実施の第2形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、本実施の第2形態において図1に示す実施の第1形態と異なる部分は、機体の外板に相当する基材が、C/C基材1からC/SiC基材11に代わったものであり、その他の構成は図1に示す実施の第1形態と同じである。
【0017】
基材が、このような基材11となっても、実施の第1形態と同様に、基材11にはSiCコーティング3が介在しており、中間層コーティング4がSiCとPt の層間の反応を防止すると共に、同様に、内部への熱の流入を低輻射率のPt コーティング5により減少させることができる。
【0018】
図3は本発明の実施の第3形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、本実施の第3形態において図1に示す実施の第1形態と異なる部分は、機体の外板に相当する基材が、C/C基材1からSiC/SiC基材21に代わったものである。この実施の第3形態においては、基材11の外側、内側の両面に施されるSiCコーティング2,3が不要となる。SiC/SiC基材21では材料自体がSiC繊維とSiC系マトリックスから構成されているので、基材の両面はいずれもSiC系の材料であり、SiCコーティング2,3は不要となる。その代わりの構成は図1に示す実施の第1形態と同じである。
【0019】
基材が、このような基材21となっても実施の第1形態と同様に中間層コーティング4によりPt コーティング5と基材21との間の反応を防止すると共に、低輻射率のPt コーティング5により熱の内部への流入を減少させることができる。
【0020】
図4は、本実施の第1〜第3形態において用いたPt コーティング5の表面粗さと室温での輻射率との関係の測定結果を示す図で、表面粗さが4μm以上では、輻射率が増加し、30〜50μmでは0.2程度まで増加している。この傾向は基材の種類によらず同様の傾向を示している。表面粗さの増加により輻射率が増加する理由は、表面の増加に伴い輻射面積が増加すると考えられ、実用材料で輻射率を設定する場合には、外板内側の輻射率の要求値に合わせてPt コーティングの表面粗さを調整する必要がある。SiCコーティング3を施した表面であれば、1〜10μm程度の表面粗さが適切と考えられる。
【0021】
以上説明の実施の第1〜第3形態によれば、機体外板の基材の内側にSiCコーティング3を介して中間層コーティング4を施し、その表面にPt コーティング5を施したので、中間層コーティング4によりSiCとPt との層間の反応を防止すると共に、低輻射率のPt コーティング5により熱の内部への流入を減少させ、スタンドオフTPS構造体の外板表面が1450℃の高温度にさらされたとしても、高温の熱の内部への流入を減少させ、安定した低輻射率コーティングが実現できるものである。
【0022】
【発明の効果】
本発明の輻射断熱式熱防護構造体は、(1)機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内、外両表面に形成されたSiCコーティング膜と、同内側SiCコーティング膜の表面に形成され、Al2 O3 又はY2 SiO5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたPt コーティング膜とを有することを特徴としている。このような構成により、外板の内,外表面のSiCコーティング膜は、外板の耐酸化性を付与して外板の内,外両表面を保護し、内側のSiCコーティング膜に施された中間層コーティング膜はSiCコーティング膜とPt コーティング膜との層間の反応を抑える作用を行う。又、Pt コーティング層は低輻射率を有するもので、外板から中間層を伝わってくる熱の空間部への放射を小さくして、機体内部への熱の流入を減少させるものである。このような輻射断熱式熱防護構造体により機体の外板に生ずる高温、例えば1450℃程度の高温度に対しても熱防護構造が効果的に機能するようになる。
【0023】
又、本発明の(2),(3)のように外板の材料がC/SiC、SiC/SiC系のものであっても、Pt コーティングと材料との間には中間層が形成されているので、上記(1)の発明と同様の効果を奏するものであり、又、(4)の発明では、中間層コーティング膜が高温で加熱されても割れや、剥離が発生しにくい50〜100μmの厚さに選定されるものであり、(5)の発明では、Pt コーティング膜の厚さが1〜10μmの範囲であれば、高温で加熱されても割れや剥離が発生しにくく、熱の内部への流入の減少がより効果的となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の第1形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図2】 本発明の実施の第2形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図3】 本発明の実施の第3形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図4】 本発明の実施の第1〜第3形態に係る輻射断熱式熱防護構造体に適用されるPt コーティングの表面粗さと輻射率との関係を示す図である。
【図5】 スタンドオフTPSの一般的な模式図である。
【符号の説明】
1,11,21 C/C基材
2,3 SiC系コーティング
4 中間層コーティング
5 Pt コーティング
30 外板
34 空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation heat insulation type thermal protection structure, and is applied as a thermal protection material to the inner surface of an outer plate of a spacecraft or the like, and effectively prevents the heat on the surface from flowing into the interior.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of spacecraft has progressed, and research has been conducted to prevent high heat generated in the outer plate due to friction with the atmosphere of the spacecraft, etc. from being transmitted to the inner surface of the outer plate, but sufficient countermeasures have been established. The current situation is not. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a structure in which measures for heat insulation of spacecraft and aircraft are taken. In the figure, reference numeral 30 denotes an outer plate of the fuselage, which is carbon fiber or carbon matrix (C / C), or carbon or SiC ( C / SiC) and the like. Reference numeral 31 denotes a radiant heat insulating material, which is made of a laminate of heat-resistant materials such as cotton and woven fabric, and prevents heat from entering the inside. Reference numeral 32 denotes a main structural frame, which is a main structural member of the airframe. Reference numeral 33 denotes a heat-resistant fastener, which is made of a heat-resistant metal, and fixes the outer plate 30 to the main structure frame 32 while maintaining a
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the stand-off TPS using radiation insulation is being developed as the outer plate structure of the spacecraft. In this development, it is important to reduce the emissivity of the inner surface of the outer plate.
Therefore, in the present invention, by applying a low emissivity coating on the inner surface of the outer plate, the heat inflow to the inside is reduced, and the function can be stably exhibited even when the stand-off TPS is at a high temperature of about 1450 ° C. An object of the present invention is to realize a radiation insulation type thermal protection structure .
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides the following means (1) to (5).
[0005]
(1) A radiation heat insulation type thermal protection structure in which the outer periphery of the airframe is surrounded by a radiation heat insulation layer, and an outer plate made of a carbon-based material is disposed around the airframe. An SiC coating film formed on both outer surfaces, an intermediate coating film formed on the surface of the inner SiC coating film, and made of Al 2 O 3 or Y 2 SiO 5 , or both; and the intermediate coating film A radiation-insulated thermal protection structure comprising a Pt coating film formed on a surface.
[0006]
(2) The radiation heat insulating thermal protection structure according to (1), wherein the outer plate is made of a material of C and SiC.
[0007]
(3) A radiation heat insulation type thermal protection structure in which the outer periphery of the airframe is surrounded by a radiation heat insulation layer, and an outer plate made of a carbon-based material is disposed around the air heat insulation layer . An intermediate layer coating film made of Al 2 O 3 and / or Y 2 SiO 5 formed on the surface , or both, and a Pt coating film formed on the surface of the intermediate layer coating film, and the outer plate is A radiation-insulated thermal protection structure comprising a SiC fiber and a SiC matrix.
[0008]
(4) The radiation insulation type thermal protection structure according to any one of (1) to (3), wherein the thickness of the intermediate layer coating film is in the range of 50 to 100 μm.
[0009]
(5) The radiation adiabatic thermal protection structure according to any one of (1) to (3), wherein the Pt coating film has a thickness in the range of 1 to 10 μm.
[0010]
In (1) of the present invention, the SiC coating film on the inner and outer surfaces of the outer plate provides oxidation resistance of the outer plate to protect both the inner and outer surfaces of the outer plate, and the inner SiC coating film decorated with the intermediate layer coating film performs a function of suppressing the reaction between the layers of the SiC coating film and P t coating film. Further, the Pt coating layer has a low emissivity, and reduces the radiation of heat transmitted from the outer plate to the intermediate layer into the space to reduce the inflow of heat into the airframe. With such a radiation heat insulation type thermal protection structure, the thermal protection structure effectively functions even at a high temperature generated on the outer plate of the airframe, for example, a high temperature of about 1450 ° C.
[0011]
Even if the material of the outer plate is C / SiC or SiC / SiC based as in (2) and (3) of the present invention, an intermediate layer is formed between the Pt coating and the material. Therefore, the same effect as the invention of the above (1) is exhibited, and in the invention of (4), even if the intermediate layer coating film is heated at a high temperature, cracking and peeling are not likely to occur. is intended to be selected to a thickness of 100 [mu] m, (5) in the present invention, so long as the thickness of the P t coating film is 1 to 10 [mu] m, even cracking or peeling is heated at a high temperature hardly occurs, A reduction in the inflow of heat into the interior is more effective.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a radiation heat insulation type thermal protection structure according to a first embodiment of the present invention. In the figure,
[0013]
An
[0014]
The
[0015]
In the configuration of the first embodiment described above, the SiC coating 3 is applied to the inside of the C /
[0016]
FIG. 2 is a configuration diagram of a radiation heat insulation type thermal protection structure according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the second embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the substrate corresponding to the outer plate of the fuselage is changed from the C /
[0017]
Substrate, even when such a
[0018]
FIG. 3 is a configuration diagram of a radiation heat insulation type thermal protection structure according to a third embodiment of the present invention. In the figure, the third embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the substrate corresponding to the outer plate of the fuselage is changed from the C /
[0019]
Substrate, thereby preventing the reaction between P t coating 5 and the
[0020]
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of the relationship between the surface roughness of the Pt
[0021]
According to the first to third embodiments described above, the
[0022]
【The invention's effect】
Radiation adiabatic heat protection structure of the present invention, (1) surrounds the body in radiant heat insulating layer, radiation adiabatic heat disposed outer plate made of a material of the carbon-based with a predetermined space therearound A protective structure , which is formed on the outer and outer surfaces of the SiC coating film and the inner SiC coating film, and is formed of Al 2 O 3 or Y 2 SiO 5 or both. And an intermediate layer coating film and a Pt coating film formed on the surface of the intermediate layer coating film. With such a configuration , the SiC coating film on the inner and outer surfaces of the outer plate is applied to the inner SiC coating film by providing oxidation resistance of the outer plate to protect both the inner and outer surfaces of the outer plate. intermediate layer coating film performs a function of suppressing the reaction between the layers of the SiC coating film and P t coating film. Further, the Pt coating layer has a low emissivity, and reduces the radiation of heat transmitted from the outer plate to the intermediate layer into the space to reduce the inflow of heat into the airframe. With such a radiation heat insulation type thermal protection structure, the thermal protection structure effectively functions even at a high temperature generated on the outer plate of the airframe, for example, a high temperature of about 1450 ° C.
[0023]
Even if the material of the outer plate is C / SiC or SiC / SiC based as in (2) and (3) of the present invention, an intermediate layer is formed between the Pt coating and the material. Therefore, the same effect as the invention of the above (1) is exhibited, and in the invention of (4), even if the intermediate layer coating film is heated at a high temperature, cracking and peeling are not likely to occur. is intended to be selected to a thickness of 100 [mu] m, (5) in the present invention, so long as the thickness of the P t coating film is 1 to 10 [mu] m, even cracking or peeling is heated at a high temperature hardly occurs, A reduction in the inflow of heat into the interior is more effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a radiation adiabatic thermal protection structure according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a radiation adiabatic thermal protection structure according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a radiation adiabatic thermal protection structure according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the surface roughness of the Pt coating applied to the radiation heat insulation type thermal protection structure according to the first to third embodiments of the present invention and the radiation rate.
FIG. 5 is a general schematic diagram of a stand-off TPS.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21 C /
Claims (5)
前記外板の内、外両表面に形成されたSiCコーティング膜と、同内側SiCコーティング膜の表面に形成され、Al2 O3 又はY2 SiO5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたPt コーティング膜とを有することを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。A radiation insulation type thermal protection structure that surrounds the airframe with a radiation insulation layer, and that has a predetermined space around it and an outer plate made of a carbon-based material is disposed,
An SiC coating film formed on both outer and outer surfaces of the outer plate, an intermediate coating film formed on the surface of the inner SiC coating film and made of Al 2 O 3 or Y 2 SiO 5 , or both, A radiation-insulated thermal protection structure having a Pt coating film formed on the surface of the intermediate coating film.
前記外板の内表面に形成されたAl2 O3 又はY2 SiO5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたPt コーティング膜とを有し、且つ、前記外板がSiC繊維及びSiCマトリックスからなることを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。A radiation insulation type thermal protection structure that surrounds the airframe with a radiation insulation layer, and that has a predetermined space around it and an outer plate made of a carbon-based material is disposed,
An intermediate coating film made of Al 2 O 3 and / or Y 2 SiO 5 formed on the inner surface of the outer plate, or both; and a Pt coating film formed on the surface of the intermediate coating film; and The heat insulating structure for radiation insulation , wherein the outer plate is made of SiC fiber and SiC matrix.
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