JP5057404B2

JP5057404B2 - 飛行体用翼、飛行体用翼複合材およびその製造方法

Info

Publication number: JP5057404B2
Application number: JP2010112988A
Authority: JP
Inventors: 隆司石川; 豊岩堀; 智弘横関; 真一武田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: JP2010173646A

Description

本発明は、飛行体用翼、飛行体用翼複合材およびその製造方法、特に翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い耐荷重能力と高い翼型維持能力を両立し空気力の大きい高速域で使用可能なモーフィング技術を適用することが出来る飛行体用翼、飛行体用翼複合材およびその製造方法に関する。

鳥のように翼形を任意に変化させて航空機の飛行性能および飛行特性を向上させる技術（以下、「モーフィング技術」という。）の研究開発が米国を中心に行われている。そのモーフィング技術を適用することが可能な飛行体用翼に対しては、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立することが要求されている。
従来、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立するために、気密性を有する織物基材で成形された上部外皮および下部外皮によって翼の外部が構成され且つ翼の内部が気密性を有する織物基材で成形された織物ウェブによって構成されると共にその上部外皮と下部外皮と織物ウェブによって複数の中空セルが形成され、その中空セルに圧縮空気を供給または排気することによって翼の高さ及び形状の双方を可変にする空気入り適用翼、または上部外皮や下部外皮や織物ウェブに気密性を有する空気溜りチャンネルを設けその空気溜りチャンネルに圧縮空気を供給または排気することによって翼の高さ及び形状の双方を可変にする空気入り適用翼が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、翼がゴム系の素材で構成され、内部に管を挿通しその管を通して内部に空気を供給または排気することによって翼の内圧を調節し翼の断面形状を変える空気入り適用翼も公知である。
更には、翼が形状記憶合金または圧電性材料によって構成され、形状および角度を可変にする適用翼も公知である。

特表平１１−５１２９９８号公報

上記空気入り適用翼では、翼内部に充填される空気圧を調節することによって翼舷方向に対し可撓性を確保することは可能であるが、空気は圧縮性の流体であるため、翼幅方向に対しても同様に可撓性を有し、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立するには至っていない。その他の適用翼も上記空気入り適用翼と同様に翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立するには至っていない。
ところで、翼舷方向に対する高い可撓性と翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立する観点から、上記織物基材またはゴム系素材ではなく炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」という。）等の異方性を有する複合材によって翼を構成することが容易に考案される。すなわち、翼幅方向に炭素繊維が一方向に並んだ一方向炭素繊維強化プラスチック材で翼が構成されると、炭素繊維の異方性により翼幅方向に対する曲げ剛性（Ｄｓ）は高く且つ翼幅方向と直交する翼舷方向に対する曲げ剛性（Ｄｃ）は低下するようになる。
しかし、上記ＣＦＲＰ材で構成された翼は翼幅方向の剛性を上げると翼舷方向の剛性も上がり、逆に翼舷方向の剛性を下げると翼幅方向の剛性も下がる。結果的に、剛性比（Ｄｃ：Ｄｓ）の最適値は高々１：１５であり、モーフィング技術を適用可能な翼に対する剛性要求（Ｄｃ：Ｄｓ＝１：１００以上）を満足できず、翼舷方向に対する強度も不足する問題がある。
また、一方向強化プラスチック材ではなく一方向強化ゴム材例えば炭素繊維強化ゴム（ＣＦＲＲ）によって翼を構成することが容易に考案される。すなわち、翼幅方向に繊維が一方向に並んだ一方向炭素繊維強化ゴム材で翼が構成されると、翼幅方向に対しては炭素繊維の異方性により剛性が高くなる一方、翼舷方向に対してはゴムの弾性作用で剛性は低くなる。結果的に、剛性比は１：１００以上とすることが可能になる。
しかし、一方向強化ゴム材は繊維方向すなわち翼幅方向の圧縮強度が低いため、上記ＣＦＲＲで構成された翼は空気力の大きい高速域では空気力による曲げ力によって耐荷重能力を失う問題があった。

そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い耐荷重能力と高い翼型維持能力を両立し空気力の大きい高速域で使用可能なモーフィング技術を適用することが出来る飛行体用翼、飛行体用翼複合材およびその製造方法を提供することを目的とする。

第１の観点による飛行体用翼では、少なくとも１つの異方性を有する第１強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形された翼内板と、少なくとも異方性を有する第２強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記翼内板の最大異方性と等しくされた翼外板とを具備し、前記翼内板は波方向を翼の翼舷方向に対し平行または略平行にして配向され、前記翼内板の凹部に弾性部材が充填されていることを特徴とする飛行体用翼を提供する。
上記第１の観点による飛行体翼では、翼内板と翼外板の最大異方性は等しく波方向に対し直交しており且つ翼内板の波方向が翼舷方向に対し平行に配向されているので、翼幅方向に対する剛性は翼内板と翼外板の最大異方性によって向上する。また、翼内板は波状に成形されているので弾性作用を有し、その結果、翼舷方向に対する剛性は低下し可撓性を有するようになる。これにより、翼舷方向に対する高い可撓性と翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立することが可能となり、空気力の大きい高速域で使用することが可能となる。

また、翼内板の凹部に弾性部材が充填されているので、弾性部材の弾性作用によって翼幅方向に対する剛性はそのままで翼舷方向に対する剛性はより低下しより可撓性を有するようになる。これにより、翼舷方向に対する高い可撓性と翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立することが可能となり、空気力の大きい高速域で使用することが可能となる。

第２の観点では、本発明は、少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記翼内板と等しくされた補強部材を前記翼内板の凹部に配設した上記構成の飛行体用翼を提供する。
上記第２の観点による飛行体用翼では、最大異方性が翼内板と等しくされた補強部材が翼内板の凹部に配設されるので、翼舷方向に対する剛性はそのままで翼幅方向に対する剛性はより向上する。

第３の観点では、本発明は、前記第１強化材、前記第２強化材または前記第３強化材の少なくとも１つは繊維強化材である上記構成の飛行体用翼を提供する。
上記第３の観点による飛行体翼では、繊維強化材は軸方向に対する最大異方性を有しているため、この特性を長軸物、翼内板または翼外板翼の少なくとも１つの成形に適用することにより、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立することが可能となり、空気力の大きい高速域で使用することが可能となる。

第４の観点では、本発明は、少なくとも１つの異方性を有する第１強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形された内板と、少なくとも異方性を有する第２強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記内板の最大異方性と等しくされた外板とを具備し、前記内板の凹部に弾性部材が充填されていることを特徴とする飛行体用翼複合材を提供する。
上記第４の観点による飛行体用翼複合材では、上記第１の観点による飛行体用翼を好適に成形することが出来る。

第５の観点では、本発明は、少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記内板と等しくされた補強部材を前記内板の凹部に配設した上記構成の飛行体用翼複合材を提供する。
上記第５の観点による飛行体用翼複合材では、上記第２の観点による飛行体用翼を好適に成形することが出来る。

第６の観点では、本発明は、前記第１強化材、前記第２強化材または前記補強部材の少なくとも１つは繊維強化材である上記構成の飛行体用翼複合材を提供する。
上記第６の観点による飛行体用翼複合材では、上記第３の観点による飛行体用翼を好適に成形することが出来る。

第７の観点では、本発明は、少なくとも１つの異方性を有する第１強化材を前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形し波板とし、次に少なくとも１つの異方性を有する第２強化材から平面状に成形し平板とし、次に前記平板の最大異方性を前記波板の最大異方性と等しくして接合し、前記波板の凹部に弾性部材を充填することを特徴とする飛行体用翼複合材の製造方法を提供する。
上記第７の観点による飛行体用翼複合材の製造方法では、上記第４の観点による飛行体用翼複合材を好適に製造することが出来る。

第８の観点では、本発明は、少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から前記異方性の中で最大異方性を前記波板の最大異方性と等しくして補強部材を成形し、次に前記補強部材を前記波板の凹部に配設する上記構成の飛行体用翼複合材の製造方法を提供する。
上記第８の観点による飛行体用翼複合材の製造方法では、上記第５の観点による飛行体用翼複合材を好適に製造することが出来る。

第９の観点では、本発明は、前記第１強化材、前記第２強化材または前記第３強化材の少なくとも１つは繊維強化材である上記構成の飛行体用翼複合材の製造方法を提供する。
上記第９の観点による飛行体用翼複合材の製造方法では、上記第６の観点による飛行体用翼複合材を好適に製造することが出来る。

本発明の飛行体用翼によれば、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立し空気力の大きい高速域においてモーフィング技術を適用することが可能になる。また、本発明の飛行体用翼複合材によれば、本発明の飛行体用翼を好適に成形することが可能になる。さらに、本発明の飛行体用翼複合材の製造方法によれば、本発明の飛行体用翼複合材を好適に製造することが可能になる。

参考例に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。参考例に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。実施例１に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。実施例１に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。実施例２に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。実施例２に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。実施例３に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。実施例３に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。実施例４に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。実施例４に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。実施例５に係る飛行体用翼複合材の要部断面を示す斜視図である。実施例５に係る飛行体用翼の要部断面を示す斜視図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

参考例

図１は、参考例に係る飛行体用翼複合材１０の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材１０は、炭素繊維強化プラスチック材（以下、「ＣＦＲＰ」という。）で波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、ＣＦＲＰで平板に成形されたＣＦＲＰ薄板２とを具備して構成されている。

この飛行体用翼複合材１０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を配向してプラスチック樹脂を注入して含浸・硬化させてＣＦＲＰ波板１を製造し、次にＣＦＲＰ薄板２を異方性の向きをＣＦＲＰ波板１と同じくしてＣＦＲＰ波板１の表面に接着材で接合することによって得られる。

図２は、参考例に係る飛行体用翼１００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼１００は、ＣＦＲＰ波板１およびＣＦＲＰ薄板２の異方性の向きが翼の横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材１０から成形されたものである。

上記飛行体用翼１００によれば、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きは翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼の翼幅方向に対する剛性は向上する。また、ＣＦＲＰ波板１の弾性作用によって翼舷方向に対する可撓性は向上する共に圧縮強度も向上する。これにより、翼の翼舷方向に対する高い可撓性と翼の翼幅方向に対する高い翼型維持能力を両立し空気力の大きい高速域においてモーフィング技術を適用することが可能になる。

図３は、実施例１に係る飛行体用翼複合材２０の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材２０は、ＣＦＲＰで波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、表面の凹部に充填され平滑面を形成する弾性部材３とを具備して構成されている。弾性部材３は、例えばシリコンゴムである。

この飛行体用翼複合材２０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を配向して高分子を後から注入しＣＦＲＰ波板１を製造し、次にそのＣＦＲＰ波板１の表面の凹部に弾性部材３を含浸・硬化させることによって得られる。

図４は、実施例１に係る飛行体用翼２００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼２００は、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きは横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材２０から成形されたものである。

上記飛行体用翼２００によれば、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きは翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼幅方向に対する剛性は向上する。また、ＣＦＲＰ波板１および弾性部材３の弾性作用によって翼舷方向に対する可撓性は向上すると共に圧縮強度も向上する。特に、圧縮強度が大きいため翼の可動範囲が大きくなる。

図５は、実施例２に係る飛行体用翼複合材３０の要部を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材３０は、ＣＦＲＰで波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、表面および裏面の凹部に空洞を形成しながら平滑面を形成する弾性部材３とを具備して構成されている。弾性部材３は、例えば合成ゴムである。

この飛行体用翼複合材３０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を配向して高分子を後から注入しＣＦＲＰ波板１を製造し、次にＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部の深部に空気を内包しながら入り口部に弾性部材３の前駆体を含浸・硬化させることによって得られる。

図６は、実施例２に係る飛行体用翼３００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼３００は、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きは翼の横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材３０から成形されたものである。

上記飛行体用翼３００によれば、ＣＦＲＰ波板１の異方性の方向は翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼幅方向に対する剛性は向上する。また、ＣＦＲＰ波板１と弾性部材３の弾性作用および内包する空気の圧縮性によって翼舷方向に対する可撓性は向上すると共に圧縮強度も向上する。特に、圧縮強度が大きいため、翼の可動範囲が大きくなる。

図７は、実施例３に係る飛行体用翼複合材４０の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材４０は、ＣＦＲＰで波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、表面および裏面の凹部に配設されるＣＦＲＰロッド４と、表面の凹部に充填される弾性部材３とを具備して構成されている。弾性部材３は、例えばシリコンゴムである。

この飛行体用翼複合材４０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を配向して高分子を後から注入しＣＦＲＰ波板１を製造し、次に炭素繊維を軸方向に配向してＣＦＲＰロッド４を製造し、次にＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部にＣＦＲＰロッド４を配設し、次に表面の凹部に弾性部材３の前駆体を含浸・硬化させることによって得られる。

図８は、実施例３に係る飛行体用翼４００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼４００は、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きが翼の横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材４０から成形されたものである。

上記飛行体用翼４００によれば、ＣＦＲＰ波板１およびＣＦＲＰロッド４の異方性の向きは翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼幅方向に対する剛性はより向上する。また、ＣＦＲＰ波板１および弾性部材３の弾性作用によって翼舷方向に対する可撓性は向上する。

図９は、実施例４に係る飛行体用翼複合材５０の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材５０は、ＣＦＲＰで波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、表面および裏面の凹部に配設されているＣＦＲＰロッド４と、表面および裏面の凹部に空洞を形成すると共に平滑面を形成する弾性部材３とを具備して構成されている。弾性部材３は、例えば合成ゴムである。

この飛行体用翼複合材５０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を置いて高分子を後から注入してＣＦＲＰ波板１を製造し、次に炭素繊維を軸方向に配向してＣＦＲＰロッド４を製造し、次にＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部にＣＦＲＰ材ロッド１を配設し、次にＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部の深部に空気を内包しながら入り口部に弾性部材３の前駆体を含浸・硬化させることによって得られる。

図１０は、実施例４に係る飛行体用翼５００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼５００は、ＣＦＲＰ波板１の異方性の向きが翼の横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材５０から成形されたものである。

上記飛行体用翼５００によれば、ＣＦＲＰ波板１およびＣＦＲＰロッド４の異方性の向きは翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼幅方向に対する剛性は向上する。また、ＣＦＲＰ波板１と弾性部材３の弾性作用および内包する空気の圧縮性によって翼舷方向に対する可撓性はより向上する共に圧縮強度も向上する。

図１１は、実施例５に係る飛行体用翼複合材６０の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼複合材６０は、ＣＦＲＰで波状に成形されたＣＦＲＰ波板１と、ＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部に配設されるＣＦＲＰロッド４と、表面の平滑面を形成するＣＦＲＰ薄板２とを具備して構成されている。

この飛行体用翼複合材６０は、波状の型内に異方性を波方向に直交するように炭素繊維織物などの強化体を配向して高分子を後から注入しＣＦＲＰ波板１を製造し、次に炭素繊維を軸方向に配向してＣＦＲＰロッド４を製造し、次にＣＦＲＰ波板１の表面および裏面の凹部にＣＦＲＰロッド４を配設し、次にＣＦＲＰ薄板２を異方性の向きをＣＦＲＰ波板１と同じくしてＣＦＲＰ波板１の表面に接着材で接合することによって得られる。

図１２は、実施例５に係る飛行体用翼６００の要部断面を示す斜視図である。
この飛行体用翼６００は、ＣＦＲＰ波板１、ＣＦＲＰロッド４およびＣＦＲＰ薄板２の異方性の向きは翼の横幅方向に対し平行になるように上記飛行体用翼複合材６０から成形されたものである。

上記飛行体用翼６００によれば、ＣＦＲＰ波板１、ＣＦＲＰロッド４およびＣＦＲＰ薄板２の異方性の向きは翼の翼幅方向に対し平行になっているため翼幅方向に対する剛性はより向上する。また、ＣＦＲＰ波板の弾性作用によって翼舷方向に対する可撓性は向上すると共に圧縮強度も向上する。

上記実施例３から５において、ＣＦＲＰロッド４に変えてＣＦＲＰ角棒を使用しても良い。

なお、翼全体を上記飛行体用翼複合材で構成する必要はなく、翼舷方向に対する可撓性を必要とする部分（例えば、後縁側部分）のみを上記飛行体用翼複合材で構成しても良い。また、必要に応じて翼舷方向に対してロッドまたは補強部材または弾性部材の分布を変化させて翼舷方向に対する曲げ剛性が変化するようにしても良い。

本発明に係る飛行体用翼は、航空機その他の飛行体用翼、特に飛行中に翼形を変形させることが可能なモーフィング技術を有する航空機その他の飛行体用翼において好適に利用可能である。また、本発明に係る飛行体用翼複合材およびその製造方法は、上記飛行体用翼を製造することに好適に利用可能である。

１ＣＦＲＰ波板
２ＣＦＲＰ薄板
３弾性部材
４ＣＦＲＰロッド

Claims

少なくとも１つの異方性を有する第１強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形された翼内板と、少なくとも異方性を有する第２強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記翼内板の最大異方性と等しくされた翼外板とを具備し、前記翼内板は波方向を翼の翼舷方向に対し平行または略平行にして配向され、前記翼内板の凹部に弾性部材が充填されていることを特徴とする飛行体用翼。
少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記翼内板と等しくされた補強部材を前記翼内板の凹部に配設した請求項１に記載の飛行体用翼。
前記第１強化材、前記第２強化材または前記第３強化材の少なくとも１つは繊維強化材である請求項１又は２に記載の飛行体用翼。
少なくとも１つの異方性を有する第１強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形された内板と、少なくとも異方性を有する第２強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記内板の最大異方性と等しくされた外板とを具備し、前記内板の凹部に弾性部材が充填されていることを特徴とする飛行体用翼複合材。
少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から成り且つ前記異方性の中で最大異方性が前記内板と等しくされた補強部材を前記内板の凹部に配設した請求項４に記載の飛行体用翼複合材。
前記第１強化材、前記第２強化材または前記補強部材の少なくとも１つは繊維強化材である請求項４又は５に記載の飛行体用翼複合材。
少なくとも１つの異方性を有する第１強化材を前記異方性の中で最大異方性が波方向に対し直交または略直交するように波状に成形し波板とし、次に少なくとも１つの異方性を有する第２強化材から平面状に成形し平板とし、次に前記平板の最大異方性を前記波板の最大異方性と等しくして接合し、前記波板の凹部に弾性部材を充填することを特徴とする飛行体用翼複合材の製造方法。
少なくとも１つの異方性を有する第３強化材から前記異方性の中で最大異方性を前記波板の最大異方性と等しくして補強部材を成形し、次に前記補強部材を前記波板の凹部に配設する請求項７に記載の飛行体用翼複合材の製造方法。
前記第１強化材、前記第２強化材または前記第３強化材の少なくとも１つは繊維強化材である請求項７又は８に記載の飛行体用翼複合材の製造方法。