JP5972967B2 - 燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、構造部材として炭素繊維強化プラスチックを用いた燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体に関するものである。

航空機の主翼は、燃料を収容することが可能な燃料タンクとして使用される場合がある。主翼と一体化し、翼構造を油が漏れない液密構造とした燃料タンクは、インテグラルタンクと呼ばれる。インテグラルタンクは、重量軽減を目的として、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が適用される傾向にある。ＣＦＲＰは、補強材として炭素繊維が用いられ、マトリックスとして合成樹脂が用いられる。

特許文献１では、３次元繊維強化樹脂複合材の発明であって、生産性を損なうことなく、繊維強化樹脂複合材に導電性を付与するため、耳糸が面内方向糸より導電性の高い導電性材料から構成される技術が開示されている。また、特許文献２では、プリプレグ及び炭素繊維強化複合材料の発明であって、優れた耐衝撃性と導電性とを兼ね備えることを目的として、導電性の粒子又は繊維を含ませる技術が開示されている。更に、特許文献３では、改良型複合材料の発明であって、導電性を有し、標準の複合材料と比較してほとんど又は全く重量増加させないことを目的として、高分子樹脂中に分散した導電性粒子を含ませる技術が開示されている。

特開２００７−３０１８３８号公報 特開２０１０−２８０９０４号公報 特開２０１１−１６８７９２号公報

ところで、航空機の燃料タンクにおいて、ＣＦＲＰが使用されている場合、ＣＦＲＰ部品の表面、特に切削加工によって形成された切削面で、炭素繊維の端部が燃料タンクの内部に露出する。

この場合、主翼への着雷時に、雷電流がＣＦＲＰ部品の表面又は切削面を流れると、炭素繊維の端部において、炭素繊維間で放電が発生するおそれがある。この放電対策として、ＣＦＲＰ部品の表面又は切削面にシーラントなどを塗布し、発生した電流を内部に閉じ込める方法が採用されている。しかし、シーラントなどの塗布作業によって、燃料タンクの製造工程は、作業時間やコストが増加する。また、塗布されたシーラントによって、主翼の重量が増える。

なお、上述した課題は、航空機の主翼と一体化したインテグラルタンクに限られず、燃料が流通する燃料電池の容器にも生じる。以下では、燃料電池の容器も燃料タンクに含めて説明する。また、燃料タンクを有する航空機の胴体、航空機以外の燃料タンクを搭載した自動車等の移動体にも同様の課題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、製造工程における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することが可能な燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料タンク、主翼、航空機胴体、航空機及び移動体は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る燃料タンクは、補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含む炭素繊維強化プラスチックを用いた構造部材を備え、前記マトリックスは導電性が付与されている。

この発明によれば、燃料タンクの構造部材は、補強材が炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスは、プラスチックを含み、かつ、導電性が付与されている。マトリックスに導電性が付与されておらず、構造部材端部にシーラント等の処理が施されていない場合、着雷時に雷電流が端部を流れると、端部において補強材間で放電が発生するおそれがあるが、マトリックスに導電性が付与されているため、炭素繊維である補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

上記発明において、燃料が収容される内部に、前記構造部材が切削されて形成された前記構造部材の切削面が露出していてもよい。

この発明によれば、構造部材の端部が切削面であり、この切削面が、燃料が収容される内部に露出していたとしても、マトリックスに導電性が付与されているため、炭素繊維である補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

上記発明において、前記炭素繊維強化プラスチックは、板厚方向の抵抗率が500Ωcm以下であることが望ましい。

また、本発明に係る主翼は、上記の燃料タンクを構造体とし、本発明に係る航空機胴体は、上記の燃料タンクを備える。
これらの発明によれば、主翼の構造体が燃料タンクであり、又は、航空機胴体が燃料タンクを備えていて、燃料タンクの構造部材は、炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスは、プラスチックを含み、かつ、導電性が付与されていることから、炭素繊維を含む補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

また、本発明に係る航空機は、上記の主翼又は航空機胴体を備える。
この発明によれば、航空機の主翼又は航空機胴体は、構造体が燃料タンクであり、燃料タンクの構造部材は、炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスは、プラスチックを含み、導電性が付与されていることから、炭素繊維を含む補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

また、本発明に係る移動体は、上記の燃料タンクを備える。
この発明によれば、移動体は、構造体が燃料タンクであり、燃料タンクの構造部材は、炭素繊維強化プラスチックである。そして、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスは、プラスチックを含み、導電性が付与されていることから、炭素繊維を含む補強材間の導通が確保され、構造部材の端部における放電の発生を防止できる。

本発明によれば、マトリックスに導電性が付与されているため、炭素繊維である補強材間の導通が確保され、構造部材の端部において補強材間の放電の発生を防止でき、構造部材の端部で別途シーラントなどを施さなくてもよいことから、製造工程における作業時間やコストを低減し、重量の増加を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る主翼を示す斜視図であり、一部を破断して示す。 同実施形態に係る主翼を示す縦断面図である。 同実施形態に係るリブのフランジを示す端面図であり、図５のIII−III線矢視図である。 同実施形態に係る上側スキン及びリブを示す部分縦断面図であり、図２のIV−IV線で切断した断面図である。 同実施形態に係るリブのフランジを示す上面図である。 従来のリブのフランジを示す上面図である。 従来のリブのフランジを示す端面図であり、図６のVII−VII線矢視図である。 試験体の板厚方向の抵抗率［Ωcm］と相対スパーク発生電流［％］との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る航空機の主翼１の構成について説明する。
主翼１は、図１及び図２に示すように、上側スキン３と、下側スキン５と、前側スパー７と、後側スパー９と、複数のリブ１１などを備える。
上側スキン３及び下側スキン５は、主翼１の外形を構成し、空力面も兼ねる薄板である。上側スキン３及び下側スキン５は、前側スパー７、後側スパー９及びストリンガ（図示せず。）と共に主翼１に作用する引っ張り荷重や、圧縮荷重の一部を受け持つ。

前側スパー７及び後側スパー９は、図１に示すように、主翼１の翼長方向に延設される構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５との間に配置される。複数のストリンガは、上側スキン３又は下側スキン５の内側面に主翼１の翼長方向に延設される補助部材であって、前側スパー７と後側スパー９との間に配置される。

リブ１１は、図１に示すように、主翼１の翼幅方向に設けられる構造部材であって、上側スキン３及び下側スキン５の間に配置される。すなわち、リブ１１は、前側スパー７及び後側スパー９と略直交する方向に延設される構造部材であって、主翼１の縦断面形状に形成された板状の部材である。リブ１１には、図１や図２に示すように、長手方向に複数の開口部１４が形成されている。

主翼１では、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３及び下側スキン５で囲まれた部分が燃料を収容する燃料タンク１３として用いられる。燃料タンク１３は、機体構造物自体が容器とされており、インテグラルタンク（integral tank）と呼ばれている。そして、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、燃料タンク１３の構造部材でもある。燃料タンク１３は、燃料が外部に漏れない液密構造を有する。

燃料タンク１３の内側には、燃料を燃料タンク１３へ供給する燃料配管（図示せず。）、燃料油量を検出する複数の燃料油量計（図示せず。）、及び燃料油量計の配線（図示せず。）などが設置される。

次に、燃料タンク１３の構造部材について説明する。
燃料タンク１３の構造部材、すなわち、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる。そして、燃料タンク１３に適用される本実施形態のＣＦＲＰは、図３に示すように、補強材１５が炭素繊維を含み、マトリックス１７がプラスチックを含む。そして、マトリックス１７は、導電性が付与されており、これにより、燃料タンク１３の構造部材に用いられるＣＦＲＰは、導電性を有する。図３では、リブ１１について示しているが、他の部材についても同様である。

なお、燃料タンク１３において、前側スパー７、後側スパー９、上側スキン３、下側スキン５及びリブ１１の全てをＣＦＲＰで形成しなくてもよく、部分的にアルミニウム合金等の金属で形成されてもよい。

マトリックス１７は、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチックを含む。マトリックス１７に導電性を付与する方法は、熱硬化性樹脂等のプラスチックに対して導電性を付与する様々な技術を適用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。マトリックス１７に導電性を付与する方法としては、例えば、プラスチック内に導電性の粒子又は繊維を含ませる方法や、プラスチックそのものに導電性を付与する方法などがある。マトリックス１７の抵抗率は、例えば数Ωcmである。

燃料タンク１３のＣＦＲＰによる構造部材は、燃料が収容される燃料タンク１３の内部において、切削加工によって形成された切削面が露出している。例えば、図４に示すように、リブ１１がフランジ１１Ａとウェブ１１Ｂ等からなる場合、フランジ１１Ａの端部において、切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に露出する。

本実施形態では、マトリクス１７に導電性が付与されていることから、図５に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れる際、補強材１５間において電気的に導通する。その結果、ＣＦＲＰの切削面１１ａにおいて、補強材１５間で放電が発生しにくい。

なお、本実施形態は、ＣＦＲＰによる構造部材の表面にプライマとして帯電防止塗料を塗布することによって、帯電を防止しながら、電解的作用による腐食を防止する技術とは異なり、マトリクス１７自体に導電性を持たせて、炭素繊維を含む補強材１５間の電気的導通を確保する。

本実施形態と異なり、マトリクス１７に導電性が付与されていない場合、図６に示すように、主翼１のリブ１１への着雷時に、着雷地点Ｐから雷電流ＣがＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａを流れる際、補強材１５の端部において、補強材１５間で放電Ｄ（図６及び図７参照）が発生するおそれがある。従来、この放電対策として、図６に示すようにＣＦＲＰ部品の表面又は切削面１１ａにシーラント１２などを塗布し、発生した電流を内部に閉じ込める方法が採用されている。しかし、シーラント１２などの塗布作業によって、燃料タンク１３の製造工程は、作業時間やコストが増加する。また、塗布されたシーラント１２によって、主翼１の重量が増える。

これに対して、本実施形態によれば、燃料タンク１３の構造部材は、補強材１５が炭素繊維を含むＣＦＲＰであり、マトリックス１７がプラスチックを含み、かつ、導電性が付与されている。マトリックス１７に導電性が付与されているため、切削面１１ａが燃料タンク１３の内部に露出していたとしても、補強材１５間の導通が確保され、構造部材の切削面１１ａにおける補強材１５間の放電の発生を防止できる。

次に、本発明の一実施形態と、従来例のそれぞれについて、試験体を作成し、耐雷試験を実施した結果について説明する。
本試験では、導電性が付与されたＣＦＲＰを備える構造部材（本実施形態）と、導電性が付与されていないＣＦＲＰを備える構造部材（従来）とにおいて、試験体に大電流波形を印加してスパークが発生する電流値の違いを比較した。
耐雷試験の試験方法は、SAE internationalのAircraft Lightning Test Methods（ARP5416）のConducted Current Testの記載に従った。試験体に印加した大電流波形は、ARP5412Aに規定される雷模擬電流のコンポーネントＡ波形である。

図８は、試験体の板厚方向の抵抗率［Ωcm］と相対スパーク発生電流［％］との関係を示している。板厚方向の抵抗率の異なる複数の試験体に対して耐雷試験を実施した結果、図８に示す結果が得られた。図８では、導電性が付与されていないＣＦＲＰを備える構造部材のスパーク発生電流値を100％としたときの各試験体のスパーク発生電流値を割合で示している。

試験結果によれば、導電性が付与されて、板厚方向の抵抗率が500Ωcm以下であれば、導電性が付与されたＣＦＲＰを備える構造部材は、相対スパーク発生電流に優位性が表れ、特に、板厚方向の抵抗率が約200Ωcm以下であれば、相対スパーク発生電流が２倍以上になることが分かる。
すなわち、板厚方向の抵抗率が500Ωcm以下である導電性が付与されたＣＦＲＰでは、導電性が付与されていないＣＦＲＰに比べて、着雷時の雷電流によるスパークの発生を抑制できることが確認され、板厚方向の抵抗率が約200Ωcm以下である導電性が付与されたＣＦＲＰでは、着雷時の雷電流によるスパークの発生を更に抑制できることが確認された。

なお、上述した実施形態は、航空機の主翼と一体化したインテグラルタンクと呼ばれる燃料タンク１３の場合について説明したが、本発明は、この例に限られない。例えば、燃料が流通する燃料電池の容器（燃料タンク）に用いられる構造部材にも適用できる。また、航空機の胴体に設置される燃料タンクの構造部材、航空機以外の自動車等の移動体に搭載される燃料タンクの構造部材にも適用可能である。

１ 主翼
３ 上側スキン
５ 下側スキン
７ 前側スパー
９ 後側スパー
１１ リブ
１１ａ 切削面
１１Ａ フランジ
１１Ｂ ウェブ
１２ シーラント
１３ 燃料タンク
１５ 補強材
１７ マトリックス

Claims (5)

1. 補強材が炭素繊維を含み、マトリックスがプラスチックを含む炭素繊維強化プラスチックを用いた構造部材を備え、前記マトリックスは導電性を有し、
   燃料が収容される内部に、前記構造部材の切削面が露出し、
   前記炭素繊維強化プラスチックは、板厚方向の抵抗率が500Ωcm以下である燃料タンク。
2. 請求項１に記載の燃料タンクを構造体とする主翼。
3. 請求項１に記載の燃料タンクを備える航空機胴体。
4. 請求項２に記載の主翼、又は、請求項３に記載の航空機胴体を備える航空機。
5. 請求項１に記載の燃料タンクを備える移動体。

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