JP4895415B2 - 複合航空機構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、直接の落雷による薄板サンドイッチ積層の外皮破壊の防止に関する。
【０００２】
本発明は、避雷システムに関し、より特定的には、薄い外皮構造または薄板サンドイッチ構造を有する、導電性複合材料の航空機構造を、破壊から守るためのシステムに関する。この保護方法は、制御された導電性層を導電性外皮層の外側にかつその導電性外皮と電気接点を有するように配置して、激しい直接の落雷による電流を分散させるものであり、これは、外皮表面の破壊を防ぎかつその構造へのダメージを最小限に抑えるための手段を有する。
【０００３】
２．背景技術
従来のアルミニウム製航空機構造は典型的に、固有の避雷構造を有する。アルミニウム外皮構造は、電気特性も含めて、均質でかつ予測可能な材料特性を有する。したがって、そのような外皮が落雷によって破壊されることを防ぐためには、単に、アルミニウム外皮の厚さを０．４０４インチから０．０６０インチの範囲にサイジングすればよい。レドームおよび空力フェアリング等の、外皮が非導電性である従来の航空機構造の領域においては、金属母線バーを外部表面に設けて、雷電流をアルミニウム構造へと向けることが可能である。
【０００４】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の導電性の複合材料の構造に対して避雷構造を設けることは、典型的なアルミニウム構造に対してそれを設けるよりもはるかに困難でありかつ複雑である。導電性の複合材料は均質ではなく、また、アルミニウムよりも導電性がはるかに低い。０．１０インチより厚い外皮構造においては、外皮は破壊に耐え得る厚さを有しているかも知れないが、その構造はやはり外皮表面に激しいダメージを受ける。このダメージは、比較的重い金属もしくは絶縁コーティング、または層の組合せを設けることによって、最小限に抑えることができ、これにより、厚い外皮の導電性複合材料構造を取扱う先行する特許において述べられたような十分な保護を提供することができる。
【０００５】
薄板の導電性複合材料構造を保護するのに、重金属メッシュを使用することは直観的に考えつかれるであろう。しかし、導電性薄板およびサンドイッチ複合材料構造に関しては、その構造は重金属メッシュコーティングが使用されていたとしても、落雷によって容易に破壊される。アルミニウム外皮の厚さに匹敵する、より重量のある外皮を使用することで十分な保護が提供されるであろうが、これは、複合材料構造のアルミニウムよりも重量が節約できるという利点を打ち消すものである。
【０００６】
本発明の目的は、表面を保護しかつ薄板導電性複合材料の航空機構造の破壊を防ぐ、軽量単一層による保護システムを提供することである。先行技術においては、避雷用材料を選択する際には、その材料の機械的局面、ならびに腐食および重量の局面が、重要な考慮事項とされてきた。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、材料を主に保護層の電気特性に基づいて選択することである。ここで、狭い領域の電気特性、すなわち表面の導電性は、薄板の導電性構造に最適な保護を提供する。幸いなことに、これは、厚い外皮の複合材料構造を保護するのに使用される現在の方法に比べて、薄板の導電性複合材料構造に対してより軽量の解決策をもたらすものである。厚い外皮の複合材料構造に使用されるよりも少ない、制御された表面の導電性を有する軽量の金属メッシュを用いることにより、薄板の導電性複合材料構造に関して、激しい落雷による外皮の破壊を防ぐことが可能となる。
【０００８】
より軽量の導電性コーティングはまた、導電性のコア構造を有する場合であっても有さない場合であっても、非導電性である薄板構造に対しても保護を提供することができる。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の重要な特徴は以下のとおりである：
１） 表面の導電性に基づいてメッシュ重量を選択することにより、薄板構造の破壊を防ぐよう精密に制御された効率的な保護を提供することができる； ２） より重くより導電性の高いメッシュ重量は軽量のメッシュよりも優れた避雷構造を必ずしも提供するものではない； ３） 炭素繊維強化プラスチック外皮に関しては、導電層が導電性炭素繊維外皮構造と電気接点を有して、その構造の形成に固有の電気結合を提供する。
【００１０】
さらに別の重要な特徴として、その金属メッシュ層はまた、電磁干渉（ＥＭＩ）シールドを提供し、内部表面箔ＥＭＩシールドと組合される際には、内部表面箔の厚さを減じることにより、皺を最小限に抑えることができるという特徴がある。
【００１１】
【好ましい実施例の説明】
本発明の好ましい実施例は、薄板構造の外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合された、２２０〜３５０モー／□の制御された表面導電性を有する軽量金属メッシュを使用して、シミュレートされた雷撃テストレベルにおいて破壊を防ぐものである。ＣＦＲＰについては、メッシュ重量が６７．８ｇ／ｍ ２ 〜１０１．７ｇ／ｍ ２ （２〜３オンス／平方ヤード）であり、コンダクタンスが２２０〜３５０モー／□である、腐食を起こさない銅製メッシュで十分である。たとえば１６９．５ｇ／ｍ ２ 〜２０３．４ｇ／ｍ ２ （５〜６オンス／平方ヤード）であってコンダクタンスが４２５モー／□よりも大きい、より重い銅製メッシュは、薄板構造に対して、コンダクタンスが２２０〜３５０モー／□の軽量メッシュが提供するのと同じだけの保護を提供することはできない。アルミニウム構造との腐食融和性については、３３．９ｇ／ｍ ２ 〜５０．９ｇ／ｍ ２ （１〜１．５オンス／平方ヤード）のアルミニウムメッシュがこれと電気的に等価である。
【００１２】
図１および図２に示した輸送機の雷撃ゾーンは、図４のキーを使用して解釈することができる。但し、ゾーン３は他のすべてのゾーンの下部構造を成すものと理解されたい。
【００１３】
図３は、エンジンカバーおよびフェアリングを示し、各領域のハッチング符号の説明を付す。これらは、ハニカムコアまたは薄板のエンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合された外部導電層を組み込んでもよい。このような保護システムは、（アルミニウム、ファイバーグラス、ＣＦＲＰの）如何なる種類の軽量ハニカム構造にも、または薄板構造にも、利用することが可能である。ここでは銅製メッシュについて説明したが、これと同じレベルの表面導電性を提供しかつ腐食融和性の仕様を満たすものであれば、どのような軽量導電性コーティングが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】航空機の平面図であって、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される、外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図２】図１の航空機の側面図であって、やはり、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図３】エンジンカバーおよびフェアリングをより詳細に示す図であって、金属領域はこの種類の保護を必要とはしないが、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図４】図１および図２に示した輸送機における輸送機の雷撃ゾーンを示すのに有益であるキーを示す図である。
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は、直接の落雷による薄板サンドイッチ積層の外皮破壊の防止に関する。
【０００２】
本発明は、避雷システムに関し、より特定的には、薄い外皮構造または薄板サンドイッチ構造を有する、導電性複合材料の航空機構造を、破壊から守るためのシステムに関する。この保護方法は、制御された導電性層を導電性外皮層の外側にかつその導電性外皮と電気接点を有するように配置して、激しい直接の落雷による電流を分散させるものであり、これは、外皮表面の破壊を防ぎかつその構造へのダメージを最小限に抑えるための手段を有する。
【０００３】
２．背景技術
従来のアルミニウム製航空機構造は典型的に、固有の避雷構造を有する。アルミニウム外皮構造は、電気特性も含めて、均質でかつ予測可能な材料特性を有する。したがって、そのような外皮が落雷によって破壊されることを防ぐためには、単に、アルミニウム外皮の厚さを０．４０４インチから０．０６０インチの範囲にサイジングすればよい。レドームおよび空力フェアリング等の、外皮が非導電性である従来の航空機構造の領域においては、金属母線バーを外部表面に設けて、雷電流をアルミニウム構造へと向けることが可能である。
【０００４】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の導電性の複合材料の構造に対して避雷構造を設けることは、典型的なアルミニウム構造に対してそれを設けるよりもはるかに困難でありかつ複雑である。導電性の複合材料は均質ではなく、また、アルミニウムよりも導電性がはるかに低い。０．１０インチより厚い外皮構造においては、外皮は破壊に耐え得る厚さを有しているかも知れないが、その構造はやはり外皮表面に激しいダメージを受ける。このダメージは、比較的重い金属もしくは絶縁コーティング、または層の組合せを設けることによって、最小限に抑えることができ、これにより、厚い外皮の導電性複合材料構造を取扱う先行する特許において述べられたような十分な保護を提供することができる。
【０００５】
薄板の導電性複合材料構造を保護するのに、重金属メッシュを使用することは直観的に考えつかれるであろう。しかし、導電性薄板およびサンドイッチ複合材料構造に関しては、その構造は重金属メッシュコーティングが使用されていたとしても、落雷によって容易に破壊される。アルミニウム外皮の厚さに匹敵する、より重量のある外皮を使用することで十分な保護が提供されるであろうが、これは、複合材料構造のアルミニウムよりも重量が節約できるという利点を打ち消すものである。
【０００６】
本発明の目的は、表面を保護しかつ薄板導電性複合材料の航空機構造の破壊を防ぐ、軽量単一層による保護システムを提供することである。先行技術においては、避雷用材料を選択する際には、その材料の機械的局面、ならびに腐食および重量の局面が、重要な考慮事項とされてきた。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、材料を主に保護層の電気特性に基づいて選択することである。ここで、狭い領域の電気特性、すなわち表面の導電性は、薄板の導電性構造に最適な保護を提供する。幸いなことに、これは、厚い外皮の複合材料構造を保護するのに使用される現在の方法に比べて、薄板の導電性複合材料構造に対してより軽量の解決策をもたらすものである。厚い外皮の複合材料構造に使用されるよりも少ない、制御された表面の導電性を有する軽量の金属メッシュを用いることにより、薄板の導電性複合材料構造に関して、激しい落雷による外皮の破壊を防ぐことが可能となる。
【０００８】
より軽量の導電性コーティングはまた、導電性のコア構造を有する場合であっても有さない場合であっても、非導電性である薄板構造に対しても保護を提供することができる。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の重要な特徴は以下のとおりである：
１） 表面の導電性に基づいてメッシュ重量を選択することにより、薄板構造の破壊を防ぐよう精密に制御された効率的な保護を提供することができる； ２） より重くより導電性の高いメッシュ重量は軽量のメッシュよりも優れた避雷構造を必ずしも提供するものではない； ３） 炭素繊維強化プラスチック外皮に関しては、導電層が導電性炭素繊維外皮構造と電気接点を有して、その構造の形成に固有の電気結合を提供する。
【００１０】
さらに別の重要な特徴として、その金属メッシュ層はまた、電磁干渉（ＥＭＩ）シールドを提供し、内部表面箔ＥＭＩシールドと組合される際には、内部表面箔の厚さを減じることにより、皺を最小限に抑えることができるという特徴がある。
【００１１】
【好ましい実施例の説明】
本発明の好ましい実施例は、薄板構造の外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合された、２２０〜３５０モー／□の制御された表面導電性を有する軽量金属メッシュを使用して、シミュレートされた雷撃テストレベルにおいて破壊を防ぐものである。ＣＦＲＰについては、メッシュ重量が６７．８ｇ／ｍ ２ 〜１０１．７ｇ／ｍ ２ （２〜３オンス／平方ヤード）であり、コンダクタンスが２２０〜３５０モー／□である、腐食を起こさない銅製メッシュで十分である。たとえば１６９．５ｇ／ｍ ２ 〜２０３．４ｇ／ｍ ２ （５〜６オンス／平方ヤード）であってコンダクタンスが４２５モー／□よりも大きい、より重い銅製メッシュは、薄板構造に対して、コンダクタンスが２２０〜３５０モー／□の軽量メッシュが提供するのと同じだけの保護を提供することはできない。アルミニウム構造との腐食融和性については、３３．９ｇ／ｍ ２ 〜５０．９ｇ／ｍ ２ （１〜１．５オンス／平方ヤード）のアルミニウムメッシュがこれと電気的に等価である。
【００１２】
図１および図２に示した輸送機の雷撃ゾーンは、図４のキーを使用して解釈することができる。但し、ゾーン３は他のすべてのゾーンの下部構造を成すものと理解されたい。
【００１３】
図３は、エンジンカバーおよびフェアリングを示し、各領域のハッチング符号の説明を付す。これらは、ハニカムコアまたは薄板のエンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合された外部導電層を組み込んでもよい。このような保護システムは、（アルミニウム、ファイバーグラス、ＣＦＲＰの）如何なる種類の軽量ハニカム構造にも、または薄板構造にも、利用することが可能である。ここでは銅製メッシュについて説明したが、これと同じレベルの表面導電性を提供しかつ腐食融和性の仕様を満たすものであれば、どのような軽量導電性コーティングが利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】航空機の平面図であって、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される、外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図２】図１の航空機の側面図であって、やはり、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図３】エンジンカバーおよびフェアリングをより詳細に示す図であって、金属領域はこの種類の保護を必要とはしないが、ハニカムコアまたは薄板エンジンカバーおよびフェアリング上に同時にキュアされるかまたは結合される外部導電層を組み込む領域を示す図である。
【図４】図１および図２に示した輸送機における輸送機の雷撃ゾーンを示すのに有益であるキーを示す図である。
Claims (6)
- 炭素繊維強化複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合された銅製金属メッシュを有するハニカムコア構造を備えた複合航空機構造であって、
前記銅製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは６７．８ｇ／ｍ ２ 〜１０１．７ｇ／ｍ ２ （２〜３オンス／平方ヤード）の銅製メッシュ重量に対応する、複合航空機構造。 - ファイバグラス強化複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合された銅製金属メッシュを有するハニカムコア構造を備えた複合航空機構造であって、
前記銅製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは６７．８ｇ／ｍ ２ 〜１０１．７ｇ／ｍ ２ （２〜３オンス／平方ヤード）の銅製メッシュ重量に対応する、複合航空機構造。 - ファイバグラス複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合された銅製金属メッシュを有する、ハニカムコア構造を含まない薄板構造を備えた複合航空機構造であって、
前記銅製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは６７．８ｇ／ｍ ２ 〜１０１．７ｇ／ｍ ２ （２〜３オンス／平方ヤード）の銅製メッシュ重量に対応する、複合航空機構造。 - 炭素繊維強化複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合されたアルミニウム製金属メッシュを有するハニカムコア構造を備えた複合航空機構造であって、
前記アルミニウム製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは３３．９ｇ／ｍ ２ 〜５０．９ｇ／ｍ ２ （１〜１．５オンス／平方ヤード）のアルミニウム金属重量に対応する、複合航空機構造。 - ファイバグラス複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合されたアルミニウム製金属メッシュを有する、ハニカムコア構造を含まない薄板構造を備えた複合航空機構造であって、
前記アルミニウム製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは３３．９ｇ／ｍ ２ 〜５０．９ｇ／ｍ ２ （１〜１．５オンス／平方ヤード）のアルミニウム金属重量に対応する、複合航空機構造。 - ファイバグラス強化複合構造からなる外皮表面および前記外皮表面と同時にキュアされるかまたはそれに補助的に結合されたアルミニウム製金属メッシュを有するハニカムコア構造を備えた複合航空機構造であって、
前記アルミニウム製金属メッシュは２２０〜３５０モー／□の電気コンダクタンスの範囲を有し、前記範囲内の前記電気コンダクタンスは３３．９ｇ／ｍ ２ 〜５０．９ｇ／ｍ ２ （１〜１．５オンス／平方ヤード）のアルミニウム金属重量に対応する、複合航空機構造。
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