JP6290904B2 - プロジェクタイルの衝撃による過圧に耐性があるタンク - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料タンクなどの液体タンクの分野に関し、より具体的には、液体充填タンクを貫通するプロジェクタイルにより発生する過圧に対処することを可能とする装置を備えるタンクに関するものである。

ブラダタンクの液体、または例えば航空機もしくは陸上車両などの構造体に組み込まれたインテグラルタンクの液体を、プロジェクタイルが貫通する場合の問題は、過圧が発生することである。液体内のこの過圧は、破裂によるタンクの破壊につながる可能性がある。

実際に、プロジェクタイルは、その軌道に沿って、元来、一般に非圧縮性の液体ボリュームを押しのける。

従来のタンクでは、プロジェクタイルが液体を貫通するときに、液体を封入したボリュームが膨張できる可能性はなく、これは、タンクの壁にかかる圧力が、タンクの壁が破裂するまで上昇することを意味する。より具体的には、プロジェクタイルと流体との相互作用によって、第１に、運動エネルギーの損失が生じ、第２に、補償されなければこの圧力の上昇の原因となる押しのけ量の増加が生じる。その結果生じる圧力波は、燃料タンクの壁の比較的大きな領域に当たり、この波の振幅と燃料タンクの構造によっては、タンクの壁が破裂し得る。

現在、このバルク圧力に完全に対処できるタンクはない。従って、弾道衝撃の後に、タンクの爆発により航空機または車両を失うリスクは非常に高い。

例えば特定の軍用機の場合に、一部のブラダタンク、特に、穿孔後のセルフシール機能を有する発泡体を閉じ込んだ二重壁を備えたものは、場合によって、弾丸の影響を抑えることがある。しかしながら、そのような発泡体は、プロジェクタイルの貫通により発生する過圧を吸収するのに適しているとは言い難い。

種々の周知の技術によって、弾道の脅威にさらされるタンクの脆弱性を低減するという目的は、ある程度達成することができる。過圧の影響を抑えることを目的とするそれらの技術は、以下のものである。
− ２つのタンクを入れ子にする（「タンク・イン・タンク」システムとも呼ばれる）ことで、大きいタンクの内部にあるタンクが、弾道の衝撃で破裂して、その中身は、他方に流れ込むことになる。
− タンクの内側にゴムコーティングを使用する（「ゴム層包囲タンク」とも呼ばれる）ことで、タンクを形成する構造体から、流体を切り離すことを可能とする。
− タンクの内側に繊維強化ゴムコーティングを使用し、これは、上記のコンセプトの派生形である。
− 連続気泡発泡体が充填されたケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）のブラダタンクを使用する（「発泡体入りブラダタンク」とも呼ばれる）。
− 特許文献１に記載の、膨張壁を有するブラダタンクを使用する（「窒素膨張式弾道ブラダ」システムとも呼ばれる）。
− （特許文献２および特許文献３に記載の原理を取り入れて）剛壁タンクとそれを収容する構造体との間に接着された、過圧の影響下で変形可能な、ガラス繊維／樹脂で構成された波形強化材を使用する。
− タンクの内側をライニングする、過圧の影響下で破壊されることが可能な、（セルを封止する）ガラス繊維／樹脂で構成された表皮で被覆されたハニカムブロックからなる犠牲層を使用する。

しかしながら、これらのタンクは、強い圧力には適しておらず、さらには、複数の連続的または同時的なプロジェクタイルの衝撃による損傷を抑えることはできない。

また、特許文献４からの燃料タンクアセンブリと、それに対応する方法であって、弾道プロジェクタイルの衝撃によって生じ得る損傷を、特に、燃料漏れにつながる開口型損傷を抑えることを可能とする方法も知られている。この特許は、２つの入れ子ブラダで形成されることによって、弾道衝撃による損傷を抑えることが可能な二重タンクについて記載している。このアセンブリは、さらに、ブラダの膨張を少なくとも部分的に制限するために、２つのブラダの間に配置された複数のコネクタを備える。従って、このアセンブリは、内側ブラダの膨張を制限することを可能としているが、プロジェクタイルが貫通する際の燃料のボリューム膨張による圧力があまりにも高い場合に、タンクの爆発を防ぐことはできない。

最後に、ポリウレタンフォームによる製品が知られており、これは、蒸気の不活性化ならびに外部デブリに対するバリアを確保しつつ、静電効果およびスロッシングに対してのみ燃料タンクを保護する。このシステムは、弾道衝撃により発生する過圧に対処することはできない。

米国特許第４９２５０５７号明細書 米国特許第４４６９２９５号明細書 米国特許第７５６６４８９号明細書 欧州特許出願公開第２０４８０７９号明細書

そこで、本発明の目的は、プロジェクタイルの衝撃により発生する過圧に耐えるように適合したタンクを提案することにより、従来技術の欠点のうちの１つ以上を解消することである。

より具体的には、本発明は、液体タンク内の過圧を管理するための装置を提案するものである。

このために、本発明は、プロジェクタイルの衝撃による過圧に耐えるように適合した液体タンクであって、構造体の中に配置されるタンクを提案し、該タンクは、過圧管理装置を備える。

従って、改良は、非常に簡単な適応機械装置による、液体を封入したボリュームの膨張に関する。

本発明の目的は、既存のタンクおよび想定される新規のタンクの両方において、簡単で持続的かつ受動的な方法で膨張を得ることである。「持続的」という用語は、時間と共に複数のプロジェクタイルがタンクを貫通した場合に、継続的に膨張を得ることが可能であることを意味するものと解釈されるべきである。言い換えれば、機械装置は、消耗品であってはならない。

本発明によれば、過圧管理装置は、超弾性発泡体の層を有する。「超弾性発泡体」という用語は、荷重下で大きく圧縮されることが可能であるとともに、荷重が取り除かれた後にその初期形状に戻ることが可能な発泡体を意味するものと解釈される。それは、好ましくは、ポリエチレン系発泡体である。

本発明の一実施形態によれば、装置は、特に、タンクが例えば翼または機体などの構造体の一体部分である場合に、そのタンクの内部に配置される。

本発明の一実施形態によれば、装置は、タンクの外側で、タンクの可撓性外壁とタンクを収容する構造体との間に配置される。

本発明の一実施形態によれば、超弾性発泡体層の厚さは、所望の膨張ボリュームに応じて調整される。

本発明の一実施形態によれば、超弾性発泡体層の厚さは、５〜１５ｍｍの間である。

本発明の一実施形態によれば、タンクが平行六面体形状を有する場合に、本装置は、タンクの少なくとも４面を被覆する。

本発明の一実施形態によれば、超弾性発泡体は、独立気泡発泡体である。

本発明の他の特徴および効果は、例として提示される添付の図面を参照して、以下の説明を読解することで、より良く理解され、より明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施形態によるタンクの実施例の一部の断面概略図である。 図２は、本発明の一実施形態によるタンクの実施例の一部の中央断面概略図である。 図３は、従来技術によるタンクについて、ａ）完全に充填されている場合と、ｂ）９０％充填されている場合に得られた結果（時間の関数としての４面の壁の全反力）を示している。 図４は、本発明によるタンクについて、ａ）完全に充填されている場合と、ｂ）９０％充填されている場合に得られた結果（時間の関数としての４面の壁の全反力）を示している。

本発明は、液体を封入するタンクの膨張を得ることを可能とする、簡単かつ受動的で、完全に機械的な装置に関する。

本発明の文脈では、タンクは、例えば、ブラダタンクまたはインテグラルタンクである。「ブラダタンク」という用語は、それが中に配置される構造体ではない包体によって形成されたタンクを意味するものと解釈される。「インテグラルタンク」という用語は、それが中に配置される構造体によって形成されたタンクを意味するものと解釈される。

タンク内にある液体は、例えば燃料である。

タンクの壁は、液体貯蔵ボリュームを規定する。タンクは、構造体の中に配置され、例えば航空機タイプの構造体の中に配置される。また、タンクは、陸上車両タイプの構造体の中に配置されることもでき、または液体が充填され得るタンクを備える他の任意のタイプの構造体の中に配置されることもできる。

プロジェクタイルが液体を貫通することによる影響を打ち消すために用いられる装置は、発泡体の層で構成される。本発明の文脈で使用される発泡体は、超弾性型の機械的挙動を示すものである。実際に、本装置により、タンク内へのプロジェクタイルの貫通による圧力の上昇を管理することが可能になるだけではなく、連続的または同時的な圧力の上昇を管理することも可能になるということが重要である。このためには、発泡体が、過圧の影響下で圧縮された後に、その初期形状に迅速に戻ることが必要である。また、発泡体層の圧縮剛性は、追加タンクの有無に関わりなく、それを支持する構造体にかかる圧力がわずかとなるようでなければならない。

「超弾性発泡体」という用語は、荷重下で大きく圧縮されることが可能であるとともに、荷重が取り除かれた後にその初期形状に戻ることが可能な発泡体を意味するものと解釈される。その特性を表１に明示するＥｔｈａｆｏａｍ（登録商標）９００などのポリエチレンフォームは、そのような挙動を示すものである。超弾性発泡体についての他の参照を用いてもよい。

本発明の文脈で提案されるソリューションは、このように、「犠牲層」と呼ばれるものに類似しているが、ただし、適合した機械的挙動を示す材料を使用している。

使用されるタンクのタイプに応じて、本発明による装置は、インテグラルタンクの中に、
または可撓性の壁を有するタンクの外側に配置される。

より具体的には、図１に示す本発明の一実施例によれば、ブラダタンクの場合に、装置は、構造体と該タンクの外壁との間に配置される。この実施例では、タンク１０の内部ボリュームに液体２を貯蔵する。タンク１０内にプロジェクタイル５が貫通すると、タンク１０の壁５３に過圧５２を与えて変形させる波５１が発生する。この変形は、構造体４とタンク１０との間に配置された発泡体層３によって吸収される。

一実施形態によれば、構造体は、例えばハニカム材の層４１がその間に配置された２つの複合表皮で構成されている。発泡体層は、ブラダタンクの壁と、このように構成されたサンドイッチパネルとの間に挿入される。この構造体４の機械的強度は、発泡体の機械的強度よりも大きい。サンドイッチパネルは、固定用の支持体６を有し得る。

このタイプの実施例、すなわち機体または翼に収容されたブラダタンク１０では、連続気泡発泡体または独立気泡発泡体を使用することができる。実際に、液体は発泡体と直接接触しないので、独立気泡発泡体である必要はない。

図２に示す本発明の別の実施例によれば、インテグラルタンク１００、すなわち航空機の構造体で形成されたタンクの場合に、発泡体３は、該タンク１００の内壁１１を、少なくとも４面においてライニングする。本実施例では、タンクの壁１２は、例えば航空機の構造体によって直接形成され得る。１つの壁に、穿孔段階のプロジェクタイル８を表示している。タンク１００内の液体のレベルを、ライン７で示している。

このタイプの実施例、すなわち、例えば機体または翼に組み込まれたインテグラルタンク１００の場合には、燃料と直接接触する発泡体は、液体がセル内に入り込むのを避けるため、独立気泡発泡体であることが好ましい。

これら２つのタイプの実施例、すなわちブラダタンクまたはインテグラルタンクでは、タンクが平行六面体形状である場合、例えば立方体または直方体形状である場合に、発泡体は、プロジェクタイルの軌道に平行である少なくとも４面に配置されることが好ましい。一実施形態によれば、発泡体で、タンクの全面をライニングする。

一実施形態によれば、超弾性発泡体層は、５〜１５ｍｍの間の厚さを有し、好ましくは、１０ｍｍの厚さである。

本発明の一実施例によれば、使用される発泡体は、商品名Ｅｔｈａｆｏａｍ（登録商標）９００で表示されるものなど、ポリエチレン（ＰＥ）系の独立気泡発泡体とすることができる。

本発明の一実施例によれば、このような装置は、ブラダタンクの設計者によって、例えば穿孔発生時の燃料との化学反応によるセルフシール機能を主に有する発泡体を元々備えた二重壁タンクに用いられることができる。２つのエラストマ壁の間に発泡体を追加することによって、プロジェクタイルの貫通に起因する過圧のさらなる管理が可能となる。

既存のタンクの改良だけではなく、本発明による装置を組み込んだ新たなインテグラルタンクを設計することも想定できる。

これらすべてのタイプの適用例において、超弾性挙動を示す発泡体を使用することにより、寿命期間にわたる有効利用を確保することが可能となる。

実際に、例えば軍用機の場合に、弾道の脅威は単発的なものではなく、複数のプロジェクタイルが、連続的および／または同時的に、タンクに到達して貫通し得る。このため、燃料を封入するボリュームの多重的かつ連続的な膨張が必要となる。そこで、超弾性発泡体によって、この種の要求に応えることが可能となり、ひいては、弾道衝撃の後に、この発泡体層を備えていない場合のタンクの爆発により航空機を失うリスクを制限することが可能となる。

［本発明の実施例］
提案されたソリューションは、超弾性発泡体により得られる効果を示すための数値シミュレーションによって実現される。

本例は、以下の２つの設定で、２００ｍｍ（Ｈ）×２００ｍｍ（Ａ）×２００ｍｍの寸法を有する（図２の中央断面図に示す）立方体タンクに関するものである。
− 完全に充填されている。
− ９０％充填されている。

すべての壁は、無限大の剛性を有し、それらのうちの周囲の４面に、以下のいずれかの発泡体の層を支持しているものと仮定する。
− 硬質ポリウレタン（ＰＵ）で構成されたもの、
− または、本発明によるポリエチレン（ＰＥ）系のＥｔｈａｆｏａｍ（登録商標）９００で構成されたもの。

両方の場合において、発泡体の厚さは１０ｍｍである。８ｍｍ立方体のプロジェクタイルが、２５０ｍ／ｓの初速度で液体領域に到達する。

シミュレーションでは、発泡体の層を支持するそれぞれの剛壁の全反力が、時間の関数として記録される。

図３ａは、硬質ＰＵ発泡体を備えたタンクが完全に充填された場合に得られる結果を示しており、ピーク力は、約５７８００Ｎ、すなわち１４ｂａｒ超の平均圧力に達する。タンクが、やはり同じ発泡体を備えて、９０％充填されている場合（図３ｂ）は、ピーク力は、約３１８００Ｎ、すなわち９ｂａｒに近い平均圧力に低下する。

図４ａは、１００％充填したＰＥ系発泡体Ｅｔｈａｆｏａｍ（登録商標）９００を備えたタンクに完全に充填した場合に得られる結果を示しており、最大力は、約２４３０Ｎ、すなわち約０．６ｂａｒの平均圧力である。タンクが、やはり同じ発泡体を備えて、９０％充填されている場合（図４ｂ）、反力は、１８００Ｎ未満のまま、すなわち０．５ｂａｒ未満の平均圧力である。

これらのシミュレーション結果は、超弾性ＰＥ発泡体を備えるとともに１００％または９０％充填されたタンクについて、過圧の９５％の低減が観測されるので、有意である。Ｅｔｈａｆｏａｍ（登録商標）９００などの超弾性ＰＥ発泡体の性能は、硬質ＰＵ発泡体によって得られる性能よりも、はるかに優れている。

Claims (5)

1. 構造体（４）の中に配置されるとともに、プロジェクタイルの衝撃による過圧に耐えるように適合した液体（２）用タンク（１０，１００）であって、過圧管理装置を備え、該過圧管理装置は、ポリエチレン系の超弾性発泡体の層（３）を有し、
   前記超弾性発泡体の層（３）の厚さは、５〜１５ｍｍの間であり、
   前記ポリエチレン系の超弾性発泡体は、独立気泡発泡体である、
   タンク。
2. 前記過圧管理装置は、当該タンク（１０，１００）の内部に配置される、請求項１に記載のタンク。
3. 前記過圧管理装置は、当該タンクの外側で、当該タンク（１０，１００）の外壁と前記構造体（４）との間に配置される。請求項１に記載のタンク。
4. 前記超弾性発泡体の層（３）の厚さは、所望の膨張ボリュームに応じて調整される、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のタンク。
5. 当該タンクは平行六面体形状を有し、前記過圧管理装置は、当該タンクの少なくとも４面を被覆する、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタンク。

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