JP4861406B2 - 分離可能な構造材料 - Google Patents

Description

本発明は分離可能で、切断可能、または破壊可能な構造材料の一般的な分野に関する。

本出願は本願でその全体が参考文献とされている2005年４月８日出願の米国暫定特許出願第60/669,695号明細書に対して優先権を主張している。

多段ミサイルの段間機体はアルミニウムのような軽量金属から製造されている。アルミニウムの機体は線形形状の爆薬のような花火装置を使用して切断される。このようなアルミニウムの段間構造は大きな重量の増加の不利を与え、それ故例えば複合材料のような軽量の材料で代用することが有効であろう。しかしながら、複合材料は切断が困難なファイバを有する可能性があり、より大きな線形の爆薬を使用することが必要になる。これは複合材料へ切換える重量の利点を減少させ、線形の爆薬の爆発によって生じる衝撃及び振動量を増加させる。さらに大きい複合構造内で切断可能な材料の小領域を使用する等の、試行されている他の代替技術は構造を共に保持するためのファスナに頼る必要性を増加する。ファスナの使用の増加はシステムの複雑さを増し、構造の一体性を減少させる。

上述の説明から、この技術分野の改良が望ましいことが認識されるであろう。

本発明の１特徴によれば、反応性花火材料（pyrotechnic material）が複合材料の少なくとも一部の樹脂を気化或いは破壊するために使用され、それによって複合材料のファイバの実質的な切断または破壊がなくても材料の分離、切断または実質的な分解を可能にする。

本発明の別の特徴によれば、分離可能な構造は複数の複合材料の層を有する１対の部分を含んでいる。複合材料の層はオーバーラップし、オーバーラップ領域ではインターデジタル構造になることができる。反応性花火材料は少なくとも幾つかの層間のオーバーラップ領域中に置かれる。花火材料は点火装置に結合される。花火材料の点火は複合材料層中の樹脂の一体的な状態を気化し、破壊し、またはダメージを与え、それによって複合材料の層をオーバーラップ領域で相互に分離させ、構造の一部分を分離する。

本発明のさらに別の特徴によれば、分離可能な構造を分離する方法は構造内の反応性花火材料を点火し、それによって構造の複合材料の層を相互に分離する。

本発明のさらに別の特徴によれば、複合材料は負荷支持ファイバと反応性花火ファイバとを有する。反応性花火ファイバは少なくとも複合材料の一部中の樹脂材料の一体的な状態を気化するか乱すために点火されることができる。

本発明のさらに別の特徴によれば、分離可能な積層構造は複数の複合材料層中の複合材料と、複合材料の層間に位置される反応性花火材料と、反応性積層材料を点火するための点火装置とを含んでおり、それによって分離線に沿って積層構造の一部分を分離する。

本発明のさらに別の特徴によれば、分離可能な積層構造は、複数の複合材料層中の複合材料と、複合材料の層の対間に位置される反応性花火材料と、反応性積層材料を点火するための点火装置とを含んでおり、それによって分離線に沿って積層構造の一部分を分離する。この分離線は複合材料の層がオーバーラップするオーバーラップ領域にある。反応性花火材料は複合材料の層のファイバを切断せずに複合材料のマトリックス材料の一体的な状態を減少することによって、オーバーラップ領域中の複合材料の層を分離するように構成されている。

本発明の別の特徴によれば、構造を分離する方法は、構造を構成するステップを含んでおり、それは、構造の複数の複合材料は構造のオーバーラップ領域でオーバーラップし、各複合材料の層はオーバーラップ領域の両面ではなく、オーバーラップ領域の第１の側面または第２の側面上のオーバーラップ領域を越えて延在し、構造の反応性花火材料はオーバーラップ領域に存在しており、方法はさらにオーバーラップ領域の第２の側面へ延在する複合材料の層からオーバーラップ領域の第１の側面へ延在する複合材料を分離するように反応性材料を点火するステップを含んでいる。

本発明のさらに別の特徴によれば、複合構造材料はマトリックス材料と、マトリックス材料内の反応性花火材料ファイバと、マトリックス材料内の負荷支持ファイバを含んでいる。負荷支持ファイバは反応性花火材料ファイバよりも強力である。

前述の、および関連する目的を実現するために、本発明は以下十分に説明し、特に特許請求の範囲で指摘されている特徴を含んでいる。以下の説明および添付図面は本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理が使用されることのできる幾つかの種々の方法の例に過ぎない。本発明のその他の目的、利点、優れた特徴は図面を参照にした以下の本発明の詳細な説明によって明らかになるであろう。

添付図面では、これらの図面は必ずしも実寸大ではない。
分離可能または切断可能な構造は反応性花火材料により分離または切断される複合材料を含んでいる。１実施形態によればその構造はそれぞれ複合材料の多数の層を含む１対の複合積層構造部分を含んでいる。それらの部分はそれぞれオーバーラップ領域へ延在し、その領域内では２つの構造部分の複合層が交互に配置され、相互にオーバーラップしている。反応性材料もこのオーバーラップ領域内に位置されており、例えば複合材料層の対間の層に位置している。反応性材料は花火材料、および複合材料のマトリックスまたは樹脂材料の破壊をオーバーラップ領域で生じさせるために点火されることができる。これによって構造はオーバーラップ領域内の分離線に沿って分離される。切断または分離は複合材料の任意のファイバを切断する必要なく行われることができる。したがって、比較的小量の爆発材料が高強度の複合構造を分離するために使用されることができる。この小量の爆発は複合材料のファイバを切断するために必要な爆発力と比較して、構造に対する衝撃及び振動負荷を減少させる。切断可能または分離可能な構造は構造部分の分離を必要とする任意の種々の応用で使用されることができる。例にはミサイルの段間の分離およびミサイルのノーズコーンの分離が含まれている。

図１を参照すると、分離可能な構造10は第１の複合材料構造部分12と第２の複合材料構造部分14とを含んでいる。各部分12と14は複数の複合材料層からなり、第１の部分12は第１の複合材料層16を含んでおり、第２の部分14は第２の複合材料層18を含んでいる。複合材料層16、18はそれぞれマトリックスまたは樹脂により共に束ねられたファイバを含んでいる。個々の第１の層16と第２の層18はそれぞれのオーバーラップ端部26および28を有し、これらはオーバーラップ領域20でオーバーラップし、インターデジタル構造、即ち交互に組合された構造にされている。

オーバーラップ領域20内の反応性花火材料24は、オーバーラップ領域20内の複合材料層16と18を共に結合する。反応性材料24は隣接する複合材料層16と18の間に位置される複数のディスクリートな反応性材料層またはパッド29を含むことができる。反応性材料層29は点火信号線34により電気点火装置30に結合される。点火信号線34は、１以上の反応性材料層29に位置される例えばワイヤブリッジのような点火装置36へ結合される。適切な信号を電気点火装置30から送信するとき、花火反応が反応性材料24中で開始される。

電気信号、電流またはパルスが点火信号線34を通して電気点火装置30から点火装置36へ送信されるとき、点火が反応性材料層29の反応材料24内で生じる。この花火反応は熱を発生する爆発である。反応性材料24の爆発により発生された熱は複合材料層16と18内の樹脂のようなマトリックス材料を気化する。これは導電材料層16と18のオーバーラップ部分（端部）26、28間の機械的結合をオーバーラップ領域20中で破断する。この結果、オーバーラップ領域20内にある分離線40に沿って導電材料部分12、14の分離が生じる。この分離は図２に示されている。複合材料構造部分12、14間の分離は、オーバーラップ領域20内でのインターデジタル構造の複合材料層16、18を機械的に連結している樹脂を破壊したために生じることを強調しなければならない。反応性材料24の反応が複合材料層16、18のファイバの偶発的な切断を含んでいることができることを認識すべきであるが、この分離は伝導材料層16、18のファイバを切断したために生じたのではない。

分離線40に沿った分離可能な構造10の分離は、複合材料層のファイバの切断ではなく、複合材料層16、18のオーバーラップされた部分26、28を一体化した状態にしている樹脂を除去することにより実現されるので、構造を切断または分離するために複合材料ファイバの切断に依存するシステムと比較して少量の花火材料しか使用しないことができる。分離可能な構造10を分離するのに必要な爆発力の減少は、より少量の反応性材料の使用が可能であることを意味する。また、反応性材料24の爆発により生じる衝撃及び振動力も、複合材料のファイバの切断により分離を実現する状態と比較して小さい。分離可能な構造10に対して機械的に結合されることのできる繊細なコンポーネント、例えば分離可能な構造10を含むミサイル内に位置されることのできる光学装置に対して生じる可能性のあるダメージを防止するため衝撃および振動負荷を減少することが望ましいことが認識されよう。

さらに、構造10では、反応性材料層29の力は構造の外部方向（例えば円筒構造の外部直径方向または構造の内部方向（例えば円筒形構造の内部直径方向）の両者に対して有効に作用することが認識されよう。これにより反応性花火材料24の反応で発生されるエネルギの効率的な使用と、爆発力の閉じ込めを行うためのスチールブラストリングのような内部構造の必要性を無くすことが可能になる。

分離可能な構造10の別の利点は、分離により発生される屑が金属または連続的な複合構造の分離で生成されるよりも量が少なく、または潜在的なダメージが少ない可能性が高いことである。マトリックスまたは樹脂の破壊は他のタイプの構造の爆発分離から生じる可能性のある重い重量の金属または複合ファイバ材料の塊の発生とは対照的に、材料の気化および／または粉末化を含むことができる。

図２および３はミサイル50の１対の段42と44を分離するための段間分離機構41の一部としての分離可能な構造10の組込みを示している。第１の複合材料構造部分12は第１の穴53に皿ねじ52を結合することにより第１の段42に結合されている。第２の複合材料構造部分14は同様に第２の穴55に一連の皿ねじ54を結合することにより第２の段44に結合されている。分離可能な構造10は全長の複合セクションまたはアルミニウムの内部段セクションのようなより強力な構造で使用されるよりも優れた任意の付加的なハードウェアを何等必要とせずに、段42、44に有効に接続される。分離可能な構造10は容易に分離するように弱く作られた部分を含んでいるか、または弱い爆発力の爆発物を取付けるための付加的な構造を含んでいる段間セクションよりも取付けのためのハードウェアの使用が少ない。分離可能な構造10は強くて軽量で、更に容易に分離可能な構造を提供し、これは比較的少量の爆発物と比較的小さい衝撃及び振動で分離可能である。分離可能な構造10はオーバーラップ領域20中の構造に有効に一体化された反応性の花火材料24も有する。これは付加的な構造素子が爆発力を含む必要性を有効になくしながら、爆発により解放されるエネルギの効率的な使用を可能にする。

ねじ52および54用の穴53と55以外には分離構造に付加的な穴は必要とされないので、分離可能な構造10の複合材料の最大量の一体的な状態が維持される。取付けまたはその他の分離可能な構造を組み立てるための付加的な穴は複合材料または他の構成材料をさらに弱くする可能性がある。この更なる弱化は図１０に示されている切断可能な構造によって避けることができる。より多くの穴は全体的なエアフレームの強度も減少させ、これは誘導制御に悪影響する。

多くの別の構造は分離可能な構造10を他の構造的素子へ結合するために穴を通してねじを使用することが認識されよう。別の構造の例にはＶバンドクランプ、適切なねじ、テープを貼られた挿入部、スロット溝のインターフェースが含まれている。

構造10の容易な分離能力はオーバーラップ領域20でのみ複合材料層16、18をオーバーラップすることにより実現される。付加的な反応性材料24の使用を避けて、付加的な複合材料の使用に関する重量の増加を防止し、および／または複合材料構造部12と14との間の清浄な分離を可能にするために層16と18の間のオーバーラップ量を限定された状態に維持することが有効であることが認識されよう。しかしながらより広い意味では、構造材料10は複合材料構造部12と14との間に広い範囲のオーバーラップを可能にするように構成されることができることが認識されよう。第１の複合材料構造部12の実質的な部分は、第２のねじ54が分離可能な構造10を第２の段44へ結合するために使用される第２の取付け領域58まで延在しないことが有効である。同様に、第２の複合材料構造部14の実質的な部分は、分離可能な構造10が皿ねじ52を使用して第１の段42へ結合する第１の取付け56まで延在しないことが有効である。換言すると、分離可能な構造10は実質的に複合材料が（それが第２の段44に結合する）分離可能な構造10の上部から（それが第１の段42に結合する）分離可能な構造10の下部まで延在しないことが有効である。任意の与えられた複合材料ファイバが分離可能な構造10を途中まで横切ることによって、分離線40に沿って分離可能な構造10を分離または切断するときに実質的な数の複合材料ファイバを切断する必要はなくなる。さらに換言すると、第２の複合材料構造部14はオーバーラップ領域20の外部の第１の側面領域62へ、分離線40から離れるように第１の方向64に延在しない。第１の複合材料構造部12はオーバーラップ領域20の外部の第２の側面領域68へ、分離線40から離れるように第２の方向66に延在しない。方向64と66は実質的に相互に反対であってもよい。

複合材料は適切なファイバにより補強された連続的なマトリックスを使用する広範囲の種類の材料であってもよい。マトリックス材料は熱硬化性または熱軟化性プラスティック或いは樹脂のような広範囲の種々の適当な材料であってもよい。適切な樹脂の例にはエポキシ、シアナートエステル（ＣＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ビスマールイミド（ＢＭＩ）が含まれている。用語「樹脂」は通常このようなマトリックス材料を指すためにここでは時によって使用される。補強材料は炭素ファイバ材料であってもよい。代わりに、適切なポリマーファイバまたはファイバガラスのような他の適当な材料が使用されてもよい。

反応性材料は点火されるときに適切な花火反応を発生する広範囲の種々の材料であってもよい。例えば反応性材料はゲルキャストＢｉ_２Ｏ_３／Ｍｇであってもよい。

図４は、分離可能な構造10（またはここで説明する他の分離可能な構造の実施形態）がミサイル50で使用されることのできる種々の位置を示している。分離可能な構造10は第１の段42を分離線80に沿ってミサイル50の第２の段44から分離するために使用されることができる。その代わりにまたはさらに、分離可能な構造10はノーズコーン84の部分を分離し、投下するために使用されることができる。例えば分離可能な構造10はノーズコーンペダル88と90との間の分離線86に沿って使用されることができる。分離構造はまたノーズコーン84と胴体96との間の線94に沿って使用されることもできる。

分離可能な構造10は複合材料と反応性花火材料の層の積層を作ることにより製造されることができる。分離可能な構造10は例えば複合材料と反応性花火材料の約３０−４０積層を含むことができる。複合材料の層はそれぞれ厚さ約０．１２７ｍｍ（５ミル）を有することができ、分離可能な構造10は約０．１２５乃至０．２５インチ（３．２乃至６．４ｍｍ）の全体的な厚さを有する。構造は広範囲のその他の厚さを有してもよいことが認識されよう。図面は実寸大ではなく、複合材料層の厚さは図を明瞭にするために大きくされており、層の数は図を簡潔にするために減少されている。

図５は分離可能な構造10の別の実施形態を示しており、オーバーラップ領域20内でやや異なる構成を有している。図５に示されている実施形態は、複合材料層16または18の各オーバーラップ端部26と28の両側（主表面）上に反応性材料層29を位置する点で図１に示されている実施形態とは異なっている（図１に示されている実施形態では各複合材料のオーバーラップ端部26と28の片側（主要表面）上にのみ反応性材料層29が位置されている。したがって、図１に示されている実施形態では、３つの層当り１つの層だけが反応性材料層29の１つである）。

反応性材料層29が各複合材料端部26または28の一方の側面上に位置されている図５に示されている構成は、複合材料構造部12と14を分離するのに良好な性能を可能にする。他方で、図１に示されている構成は分離可能な材料10の付加的な強度を可能にすることができる。

図６はミサイルの制御に使用されるジェットベーンを分離および／または破壊するための前述の分離可能な構造に対する別の可能な使用を示している。分離可能な構造10またはここで説明されている他の構造の実施形態は一連のジェットベーン100の全てまたは一部として使用されることができる。反応性構造は同時に全てのジェットベーン100を切断するために使用されることができる。このことはジェットベーンが実質的に同時にミサイルから分離されないときに生じる可能性のある問題をなくす。全てではなく、幾つかのジェットベーンの存在によってミサイルの不安定な飛行を生じる可能性がある。切断可能または分離可能な構造10がジェットベーン100内またはそれ全体を通して任意の種々の適切な位置に配置されることができる。電気点火装置は全てのジェットベーン100の反応性材料を同時にトリガーするために使用されることができる。

図７は破壊可能または分離可能な材料として使用されることもできる点火可能な複合材料200を示している。この複合材料200は負荷支持ファイバ202と反応性材料ファイバ204の両者を含んでいる。負荷支持ファイバ202の少なくとも幾つかは主負荷方向206に沿って方向付けされている。反応性材料ファイバ204（および恐らく負荷支持ファイバ202の幾つか）は実質的に主負荷方向206に垂直な２次負荷方向208で方向付けされている。ファイバ202と204は樹脂またはマトリックス材料210により包囲されている。反応性材料ファイバ204は複合材料200内に分離領域214を形成するために共に集結されることができる。前述の説明と類似の方法で、反応性材料ファイバ204は電気点火装置に結合されることができ、適切な電流の使用によって爆発されることができる。したがって反応性花火材料のファイバは複合材料の一部として複合材料の層内に配置されることができる。反応性材料ファイバ204はより少量の負荷を受ける方位に配置されることが好ましい。複合構造は複合材料200の複数の層から形成されることができ、反応性材料が好ましくは主負荷方向206の受信負荷から離れて位置され、種々の層の反応性材料ファイバ204が構造の一部を切断、分離、破壊または弱めるために協動して使用されることのできる領域で実質的にオーバーラップするか存在するように層の方向付けがなされている。

負荷支持ファイバは炭素ファイバであってもよく、樹脂210は任意の前述の適切な樹脂であってもよい。反応性材料ファイバ204は前述したような適切な反応性材料から作られたファイバであってもよい。

図８は複合材料200の複数の層からなる分離可能な構造220を示している。分離可能な構造220は円筒形であり、構造220上のフープ応力を受けるように方向付けされている反応性材料ファイバ204を有している。フープ応力を受ける材料の要件はその多くが、軸方向の張力または圧縮応力よりも要求することが少ないことである。したがって反応性材料ファイバ204は負荷支持ファイバ202よりも弱い可能性があるが、これらは分離可能な構造220上のフープ応力に耐えるための要求を満たすことができる。

図９は２次負荷方向208の全てのファイバが反応性材料ファイバ204である点火可能な複合材料200における変化を示している。負荷支持ファイバ202は全て主負荷方向206に配置される。材料200はしたがって反応性材料ファイバ204を点火するとき十分に分解できるように製造されることができることが認識されるであろう。

点火可能な複合材料200は反応性材料が樹脂210と緊密に接触して配置される有効な特性を有し、複合材料200を通して散在される。これは複合材料200の全てまたは一部のさらに効率的な切断または破壊を行うために行われる。複合材料200の実際の切断または破壊は負荷支持ファイバ202の少なくとも幾つかを弱化または破壊する反応性材料を使用することを含むことができる。その代わりに、またはさらに、反応性材料ファイバ204の点火および反応性材料204を包囲する樹脂材料の結果的な気化または破壊は複合材料200の完全な状態を十分に弱めることができ、それによって材料上の負荷を分解、破壊、切断、分離または他の方法による構造的な破損を生じさせることが認識されよう。

多くの変形が図７−９に示されている構造で可能である。結果的な材料の負荷支持および分離能力或いは破壊能力の所望な特性を実現するために、主および２次負荷の両方向に反応性材料ファイバと負荷支持ファイバを配置することが可能である。

前述したものは分離可能で切断可能或いは分解可能な複合材料の数例である。このような複合材料は広範囲の使用中の任意の使用で、広範囲の構造中の任意の構造で配置されることができることが認識されるであろう。その他の可能な使用は、入口扉、翼用扉、飛行中に発射される多数の軍需品のカバーのような巡航ミサイルのような発射体またはミサイルの一部として含んでいる。

ある好ましい実施形態または幾つかの実施形態に関して本発明を例示し説明したが、この明細書および添付図面を読み、理解した上で、等価の変更および変形が当業者により行われることは明らかであろう。特に前述の素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、構成等）により行われる種々の機能に関して、このような素子を説明するために使用される（「手段」の参照を含めた）用語は特に明記されていなければ、本発明のここで示されている例示的な実施形態または複数の実施形態の機能を行う説明された構造に構造的に等価ではないものでも、前述の素子の特定化された機能（即ち、機能的に等価）を行う任意の素子を示している。さらに、本発明の特別な特徴を幾つかの示されている実施形態のうちのいくつかに関してのみ前述したが、このような特徴は任意の与えられた、または特別な応用で所望され、有効であるような、他の実施形態の１以上の他の特徴と組み合わせられることができる。

本発明による分離可能な構造の一部の断面図。 図１の分離可能な構造の爆発及び分離を示す図。 他の分離可能ではない構造に対する本発明による構造の取付けを示す図１の構造の断面図。 １以上の位置において図１及び２の構造を利用しているミサイルを示す図。 本発明による第１の別の実施形態の分離可能な構造を示す断面図。 ミサイルまたはロケットエンジンのジェットベーンを切断するための図１および図２の分離可能な構造の別の可能な使用を示す説明図。 本発明による分離可能な複合材料の層を概略的に示す平面図。 図７の材料の層を使用して製造された構造の１例を示す斜視図。 分解可能な複合材料の本発明の別の実施形態を示す平面図。

Claims (10)

1. 分離されるべき第１の構造体と第２の構造体とを分離可能に結合する積層構造体において、
   複合材料で構成された複数の複合材料層と、
   前記複合材料層間に位置されている反応性花火材料と、
   反応性花火材料を点火し、それによって分離線に沿って積層構造体を分離する点火装置とを具備し、
   前記複数の複合材料層は第１の複数の複合材料層と第２の複数の複合材料層とによって構成され、
   前記第１及び第２の複数の複合材料層はそれぞれ前記分離されるべき第１の構造体と第２の構造体の分離される端部に取付けられ、
   前記第１の複数の複合材料層の各層の自由端部は前記第２の複数の複合材料層の各層の自由端部とオーバーラップしてそのオーバーラップ部分だけにおいて第１と第２の各複合材料層は結合されており、
   前記反応性花火材料は前記オーバーラップして結合されている領域の複合材料層間に配置されている積層構造体。
2. 前記分離線は前記オーバーラップ領域中に存在する請求項１記載の構造体。
3. 前記反応性材料は、前記オーバーラップ領域において第１の複合材料層の１つの層と、その層とは結合されない隣接する第２の複合材料層との間に配置されている請求項１または２記載の構造体。
4. 前記反応性材料は第１の複合材料層と第２の複合材料層の各層の間にそれぞれ付加的な反応性材料の層を含んでいる請求項３記載の構造体。
5. 前記複合材料層はそれぞれの構造体と結合するための１組の穴をそれぞれオーバーラップ領域の外部に有している請求項１乃至４のいずれか１項記載の構造体。
6. 前記構造はミサイルの段間分離構造の一部である請求項１乃至５のいずれか１項記載の構造体。
7. 前記構造はミサイルノーズコーンの一部である請求項１乃至５のいずれか１項記載の構造体。
8. 第１の構造体と第２の構造体とを分離する方法において、
   第１の構造体と第２の構造体を結合している構造体の複数の複合材料の層は第１の複数の複合材料層と第２の複数の複合材料層とによって構成され、それら第１及び第２の複数の複合材料層はそれぞれ前記分離されるべき第１の構造体と第２の構造体の分離される端部に取付けられ、前記第１の複数の複合材料層の各層の自由端部は前記第２の複数の複合材料層の各層の自由端部とオーバーラップしてそのオーバーラップ部分だけにおいて第１と第２の各複合材料層は結合されており、
   反応性花火材料はオーバーラップ領域で構造体に一体化した構造として構成され、
   反応性花火材料を点火してオーバーラップ領域において第１の構造体と第２の構造体とを分離するステップを含んでいる構造体の分離方法。
9. 前記反応性花火材料は前記オーバーラップして結合されている領域の第１と第２の各複合材料層の間に配置される請求項８記載の分離方法。
10. 前記反応性花火材料を点火して複合材料層内の樹脂マトリックスを気化させる請求項８記載の分離方法。

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