JP5790015B2 - 飛しょう体及び飛しょう体用レドームリング - Google Patents

Description

本発明はセラミックレドームを使用した飛しょう体に関するものである。特に、飛しょう体のレドーム部分とシェル部分とをリング部を介して接合する飛しょう体に関するものである。

飛しょう体においては、レーダーを保護するレドームと飛しょう体本体部分のシェルとはリング部（以下、レドームリングともいう）を介して接合される。
飛しょう体は使用時に超音速で飛しょうするため空力加熱により加熱される。特に先端のレドーム部分は飛しょう中には１０００℃を超える。このため、レドームの材料としては耐熱性と電波透過性を兼ね備えた、例えばファインセラミックス（線膨張係数：０.５×１０^-６/Ｋ程度）を使用し、一方、シェルの材料には軽量化とコストの観点から例えばアルミニウム合金が使用される（線膨張係数：２３×１０^-６/Ｋ程度）。
このように飛しょう体のシェルとレドームには大きな線膨張係数の差があるため、両者を直接接合した構造にすると、使用時に接合部分に大きな熱応力が生じる。
従来、脆性材料であるレドームの線膨張係数に近いＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、線膨張係数：０.５×１０^-６/Ｋ程度）を材料としたレドームリングを介してレドームとシェルを接合することで、リングとレドーム間の動作時の熱応力を緩和した飛しょう体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８９９８５８号公報

脆性なレドームを保護するためにレドームリングの線膨張係数はレドームに近似させる必要がある。このため、飛しょう体が高速になるにつれ、リングとシェル間の熱応力が増加するという強度的な問題が発生する。
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、容易に製造が可能で、レドームリングとシェルの間に生じる熱応力を低減できる飛しょう体用レドームリング、およびこのリングを備える飛しょう体を提供することを目的とする。

この発明に係る飛しょう体は、飛しょう体の先端に配置されるレドームと飛しょう体本体のシェルとの間に挿入され、前記レドームと前記シェルとを接合するレドームリングを備えた飛しょう体であって、前記レドームリングは、金属めっきの施された炭素繊維がリング形状に積層された積層構造を備え、前記金属めっきは、前記レドームとの接合部側から前記シェルとの接合部側に向かうめっき厚勾配を有する。

この発明によれば、レドームとシェルの間に生じる熱応力を低減する飛しょう体用レドームリングを、簡易な製造方法により製造し提供できる。

実施の形態１を示す構成図である。 実施の形態２に係る飛しょう体のレドームリング２の断面図である。

実施の形態１.
以下、図を用いてこの発明の実施の形態１を説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る飛しょう体の構成図である。図１において飛しょう体は、飛しょう体本体部分であるシェル３と、レーダーを保護するレドーム１と、シェル３とレドーム１の間にあってシェル３とレドーム１を接合するレドームリング２とからなる。
本実施の形態において、シェル３の材料として軽量化とコストの観点からアルミニウム合金（線膨張係数：２３×１０^-６/Ｋ程度）が用いられる。また、レドーム１の材料として耐熱性と電波透過性を兼ね備えたファインセラミックス（線膨張係数：０.５×１０^-６/Ｋ程度）が用いられる。
このようにシェル３とレドーム１に大きな線膨張係数の差がある場合、両者を直接接合した構造にすると使用時に接合部分に大きな熱応力が生じる。この応力を緩和する目的で、レドームリング２がシェル３とレドーム１の間に配置される。レドームリング２は脆性材料であるレドームに近似させるため、線膨張係数がレドーム１のセラミックに近いＣＦＲＰ（線膨張係数：０.５×１０^-６/Ｋ程度）が用いられる。
ここで、レドームリング２はフィラメントワインディング法により炭素繊維をリング形状に積層して成形される。フィラメントワインディング法は、ガラス繊維や炭素繊維などの連続した強化繊維に樹脂を含浸し、成形型に巻きつけて、その後に硬化成形する成形方法である。

本実施の形態では、この炭素繊維をリング形状に積層してレドームリング２を成形する工程において、炭素繊維に樹脂を含浸する前に、炭素繊維に無電解金属めっきを施すことを行う。
炭素繊維は無電解金属めっきを施すことで線膨張係数が増加する特性を有する。そして炭素繊維に施しためっき厚さと線膨張係数は比例関係にあるため、炭素繊維に施すめっき厚さを制御することで、炭素繊維の線膨張係数を調整することができる。

そこで、レドームリング２を成形するにあたり、レドームリング２のレドーム１側に積層する部分の炭素繊維については、薄く無電解金属めっきを施す。一方、レドームリング２のシェル３側に積層する部分の炭素繊維については、厚く無電解金属めっきを施す。
このようにしてレドームリング２に積層する炭素繊維に施すめっきの厚さに関し、レドーム１側は薄く、シェル３側は厚くなる勾配を持たせるようにする。

以上のように、無電解めっきを施した炭素繊維を、繊維の接ぎ換えなどがないフィラメントワインディング法によりリング形状に積層することで、図１のように、レドーム側は線膨張係数が小さく、シェル側は線膨張係数の大きいレドームリング２を、比較的容易に製造することができる。

そして、このように線膨張係数に勾配を持たせたレドームリング２をレドーム１とシェル３の間に設け、レドームリング２をレドーム１およびシェル３と結合することで、レドーム１からシェル３に向けて線膨張係数を段階的に変化させることができる。

これによって、飛しょう体使用時のレドーム・レドームリング間の熱応力とレドームリング・シェル間の熱応力の双方を軽減することができ、レドームとシェルの線膨張係数の差に起因する熱応力を低減した飛しょう体を製造することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、レドームリング２の材料に線膨張係数がレドームの材料であるセラミックに近似するＣＦＲＰを使用し、樹脂を含浸する前に炭素繊維に無電解金属めっきを施して、レドーム側からシェル側に向けてめっき厚に勾配を持たせるようにした。実施の形態２では、実施の形態１と同様にフィラメントワインディング法によりレドームリング２を成形するが、フィラメントワインディング法でレドームリング２を成形する際、積層した炭素繊維間にＣＦＲＰよりも線膨張係数の大きいＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を材料としたＧＦＲＰプリプレグを挿入する。

図２は、この発明の実施の形態２に係る飛しょう体のレドームリング２の断面図である。実施の形態２のレドームリング２は、フィラメントワインディング法により炭素繊維２１を積層し、この積層した炭素繊維２１の間にＣＦＲＰよりも線膨張係数の大きいプリプレグを挿入する。
ＣＦＲＰよりも線膨張係数の大きいプリプレグの一例として、ＧＦＲＰプリプレグがある。ＧＦＲＰプリプレグとは、ガラス繊維と樹脂から構成されるシート状基材のことである。ＧＦＲＰはガラス繊維の種類により、線膨張係数を変化させることができる。ＧＦＲＰに用いられる主なガラス繊維としては石英ガラス繊維（線膨張係数:０.５×１０^-６/Ｋ）、Ｅガラス繊維（線膨張係数:５.０×１０^-６/Ｋ）などがある。

このようなプリプレグを、図２に示すようにレドームリング２の炭素繊維間に挿入する。
図２では、線膨張係数の大きいＥガラス繊維を用いたＧＦＲＰプリプレグａ２２（線膨張係数β_１）を、レドームリング２とシェル３との接合部分に挿入する。そして、線膨張係数の小さい石英ガラス繊維を用いたＧＦＲＰプリプレグｂ２３（線膨張係数β_２。ここで、β_１＞β_２）をレドームリング２とレドーム１との接合部分に挿入する。
また、シェル３やレドーム１との接合箇所以外のレドームリング２の中間部には、レドームリング２に線膨張係数の勾配がつくように、シェル３との接合部分に挿入した量よりも少量のＧＦＲＰプリプレグ１を挿入する。
なお、フィラメントワインディング法において、積層した繊維間に所望のプリプレグを挿入することは、特に難しい作業ではなく行えるものである。

このように、フィラメントワインディング法により積層したＣＦＲＰの炭素繊維間に、線膨張係数の異なるプリプレグを挿入することで、線膨張係数に勾配をもったレドームリングを成形することができる。例えば、線膨張係数の大きいＥガラス繊維を用いたＧＦＲＰプリプレグａ２２（線膨張係数β_１）を、レドームリング２とシェル３との接合部分側に挿入し、線膨張係数の小さい石英ガラス繊維を用いたＧＦＲＰプリプレグｂ２３（線膨張係数β_２。ここで、β_１＞β_２）をレドームリング２とレドーム１との接合部分側に挿入する。
これにより、レドーム１側は線膨張係数が小さく、シェル３側は線膨張係数の大きいレドームリング２を、比較的容易に製造することができる。

そして、このように線膨張係数に勾配を持たせたレドームリング２をレドーム１とシェル３の間に設置し、レドームリング２をレドーム１およびシェル３と各々結合することで、レドーム１からシェル３に向けて線膨張係数を段階的に変化させることができる。

上記に示す方法でレドームリング単一部品内で線膨張係数に勾配を持たせることができる。レドームリングの線膨張係数に勾配を持たせることにより、飛しょう体使用時のレドーム・レドームリング間の熱応力と、レドームリング・シェル間の熱応力の両方を軽減することができる。

１ レドーム、２ レドームリング、３ シェル、２１ 炭素繊維、２２ ＧＦＲＰプリプレグａ（Ｅガラス繊維）、２３ ＧＦＲＰプリプレグｂ（石英ガラス）。

Claims (3)

1. 飛しょう体の先端に配置されるレドームと飛しょう体本体のシェルとの間に挿入され、前記レドームと前記シェルとを接合するレドームリングを備えた飛しょう体であって、
   前記レドームリングは、金属めっきの施された炭素繊維がリング形状に積層された積層構造を備え、
   前記金属めっきは、前記レドームとの接合部側から前記シェルとの接合部側に向かってめっき厚勾配を有することを特徴とする飛しょう体。
2. 前記レドームはセラミックからなり、
   前記レドームリングの材料の線膨張係数は、前記セラミックの線膨張係数と略同一でありかつ前記シェルの材料の線膨張係数より小さく、
   前記金属めっきは、前記レドームとの接合部側に薄く前記シェルとの接合部側に厚いめっき厚勾配を有することを特徴とする請求項１記載の飛しょう体。
3. 飛しょう体の先端に配置されるレドームと飛しょう体本体のシェルとの間に挿入され、片端で前記レドームと接合され、他端で前記シェルと接合される飛しょう体用レドームリングであって、
   前記飛しょう体用レドームリングは、金属めっきの施された炭素繊維がリング形状に積層された積層構造を備え、
   前記金属めっきは、前記レドームとの接合部側から前記シェルとの接合部側に向かってめっき厚勾配を有することを特徴とする飛しょう体用レドームリング。

Images