JP6432746B2 - 複合防弾レドーム壁およびその製造方法 - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明
本明細書中で開示される実施形態は、レーダーアンテナからなるレーダーシステムにおいて使用するのに役立つレドームに関する。本明細書中で開示されるレドームの実施形態は、防弾特性および電磁透過特性の両方を有し、したがって弾道飛翔体の脅威に曝される可能性のあるレーダーシステム、例えば様々な戦闘車両、戦闘艦、および軍用機に搭載されるレーダーシステムに使用するのに特に役立つ。
レドームは、レーダーシステム、すなわちレーダーアンテナを含むシステム用の電磁カバーであり、これは、例えば風、雨、霰などを遮断するなど、環境要素および環境の脅威からシステムを防護するために使用される。レドームの重要な必要条件は、そのレドームが、レドームを通過するレーダー波に実質上悪影響を与えず、また反射したレーダー波が引き返してレドームに入り、そのレーダーアンテナによって受信される場合にレーダー波に実質上悪影響を与えないことである。したがってレドームは、原則として2つの主な性質、すなわち十分な構造的整合性と、環境要素に対する耐久性と、十分な電磁透過性(electromagnetic transparency)(すなわち、レドームを通るレーダー波の満足な伝達効率を与える十分な電磁性能)とを有するべきである。
レドームの電磁性能は、一般にはレドームを或る方向へ通過するレーダー波の反射、ゆがみ、および減衰をできるだけ少なくするレドームの能力によって測定される。透過効率は、レーダー波に対するレドームの見掛けの透過度に似ており、そのシステム上でレドームカバーを使用しない場合に測定されるレーダーの送信電力のパーセントとして表される。レドームは電磁装置とみなすことができるため、伝達効率はレドームを回転することによって最適化することができる。レドームの回転は、レドーム壁の厚さおよびその組成を含めた幾つかの要素により管理される。例えば、決められた誘電率および誘電正接(このそれぞれはそのレーダーシステムによって送信または受信される波の周波数の関数である)を有する材料を慎重に選択することによって、そのレドームを回転させることができる。回転が不十分なレドームは、レーダー波を様々な方向で減衰、散乱、反射することになり、レーダー信号の質に有害な影響を与える。
よく機能することが分かっている従来から知られているレドーム壁構造は、Aサンドイッチ構造と呼ばれる。Aサンドイッチレドーム壁は、一般にエポキシ/ガラス繊維積層体を含有する外装材によって囲まれたエキスパンデッドコア、例えばハニカム、あるいは発泡体含有コアを含有する複合パネルを含有する。サンドイッチ構造、コア、および外装材の全体の厚さは、レーダー波のほぼ入射角に対して、ほぼ四分の一波長の厚さである。そのようなAサンドイッチレドーム壁は、例えば欧州特許第0 359 504号明細書、欧州特許第0 470 271号明細書、英国特許第633,943号明細書、英国特許第821,250号明細書、英国特許第851,923号明細書、米国特許第2,659,884号明細書、米国特許第4,980,696号明細書、米国特許第5,323,170号明細書、米国特許第5,662,293号明細書、米国特許第6,028,565号明細書、米国特許第6,107,976号明細書、および米国特許出願公開第2004/0113305号明細書によって開示されており、これらの列挙された刊行物および本明細書中で引用される任意の他の刊行物のそれぞれの全内容は、参照により本明細書中に明示的に組み込まれる。
これらの従来から知られているAサンドイッチ構造は、好適な電磁透過性を示し、かつ十分な構造的整合性を提供して全般的な環境の脅威からレーダーシステムを防護するが、それらは弾道飛翔体に対する防護を提供しない。レーダーシステムを使用する様々な戦闘車両(例えば歩兵輸送車、有人および無人航空機、および海軍艦艇)が潜在的に敵対勢力からの弾道飛翔体の脅威に曝されることは、もちろん分かり切っている。したがってレドーム壁構造が、十分な電磁透過性を与えるだけでなく、十分な防弾特性を与えることができるならばきわめて有利であろう。本明細書中で開示される実施形態の対象はこのような改良の提供に向けられる。
全般的には本明細書中で開示される複合レドーム壁構造は、中実の空隙のない防弾内側コアと、このコアを間に挟む外側の反射防止(AR)表面層とを含む。幾つかの実施形態によればこの防弾コアは、下記でより詳細に述べることになる角度バイアスを与えた一方向ポリオレフィン(例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレン、特に超高分子量ポリエチレン(UHMWPE))の単層の圧縮スタックを含む。コアをAR表面層に接合するために、かつ/またはレドーム壁構造をそのレーダーシステムと関連のある送信および受信の周波数の方に選択的に向けるために、任意選択で表面板および/または1枚または複数枚のインピーダンス整合層を防弾コアと外側のAR層の一方(または両方)との間に位置決めすることができる。
本明細書中で開示される複合レドーム壁構造に使用することができるインピーダンス整合層の例は、良好な構造特性および防弾特性を維持したままで超広帯域性能を達成するための、例えばエキスパンデッドポリマー材料である発泡体である。このような発泡体を製造するための好適なポリマー材料は、熱可塑性および熱硬化性の材料であり、その例にはポリイソシアネート、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリビニル、ポリイミド、ポリメタクリルイミド、およびこれらのブレンド物が挙げられるが、ゴムおよび樹脂などの他の合成材料もまた含まれる。好ましいポリマー材料の好適な例には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルイミド(PEI)、メタ−アラミド、エポキシ樹脂、シアン酸エステル、PTFE、およびポリブタジエンが挙げられる。発泡体の具体例は、シンタクチックフォーム、すなわちガラスマイクロバルーンを含有する発泡体である。このような発泡体は当業界で知られており、その特定の例は、前述の刊行物中で得られる。好ましくはこのポリマー発泡体は独立気泡、すなわち大部分の気泡、好ましくは全ての気泡が気泡壁によって完全に取り囲まれている。好ましくは前記発泡体は、1μm〜80μmの間、より好ましくは5μm〜50μmの間、最も好ましくは10μm〜30μmの間の範囲にある直径を有する気泡を有する。好ましくは前記発泡体は、20〜220kg/mの間、より好ましくは50〜180kg/mの間、最も好ましくは110〜140kg/mの間の密度を有する。好ましくはこの発泡体は、最大でも1.40、より好ましくは最大でも1.15、最も好ましくは最大でも1.05の誘電率を有する。好ましくはこの発泡体は、ASTM D1621に従って測定される13.000psiの、より好ましくは15.000psiの、最も好ましくは25.000psiの圧縮弾性率を有する。別の実施形態ではこのエキスパンデッドポリマー材料は、連続気泡発泡体またはハニカムであることができる。その一般的な特徴は、これらの両方の型のエキスパンデッド材料は、気泡壁によって完全には取り囲まれていないことである。
複合レドーム壁構造は、2〜40GHzの周波数において一般に90%以上の電磁透過効率を示すであろう。したがって幾つかの実施形態によれば2〜40GHzの周波数範囲にわたって0.5dB以下の透過損失が生ずることになる。
上記で述べたレーダー透過性に加えて、本明細書中で開示する実施形態によるこのレドーム壁構造は、防弾特性、具体的には国立司法省研究所基準(National Institute of Justice(NIJ)Standard)のレベルIIIの防弾特性を示すであろう。これらの防弾特性は、このレドーム壁構造によって、約2800fps(約847.0m/秒)のV50および約3.37×10〜約3.52×10ジュールの間の運動エネルギーを有する7.62mm、150グレイン(9.6グラム)のフルメタルジャケット(FMJ)弾に対して防護が与えられることを保証する。
幾つかの好ましい実施形態は、角度バイアスを与えた一方向ポリエチレンの単層の圧縮スタックからなる防弾コアを含むであろう。この角度バイアスを与えた一方向ポリエチレンの単層のスタックは、一方向ポリエチレンテープ、具体的には超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)から形成されるテープの形態であることができる。
幾つかの実施形態による反射防止(AR)外面層は、サブ波長表面(SWS)構造、例えばX帯域周波数(8〜18GHz)に適する凹状のレリーフ構造を示すようにミクロ機械加工(例えばレーザーによる)されたポリプロピレンフィルムからなるSWS構造である。
他の機能層を防弾コアとAR表面層との間に置くこともできる。例えば、強化樹脂マトリックス(例えば、シアン酸エステル樹脂、エポキシ樹脂など)からなる少なくとも1枚の表面層を、コアとAR表面層のそれぞれの面(または各々の面)との間に置くことができる。このような表面層中の樹脂マトリックスの補強材には、繊維、メッシュ、粒子、または他の形態のガラス、黒鉛、炭素などの構造補強用充填剤を挙げることができる。幾つかの好ましい実施形態は、ガラス強化シアン酸エステル樹脂マトリックスから形成される表面層を含むであろう。
このレドーム壁構造は、レーダーシステムと関連のあるレーダーアンテナを防護するレドームの一部として形成される場合、任意の形状で提供することができる。したがってこの壁構造は平坦であっても、また湾曲していてもよい。一般にはレドームおよびその関連する壁構造は、凸状に湾曲するであろう。
本発明のこれらのまた他の態様は、次の好ましい具体例としての実施形態の下記詳細な説明に対して注意深い考慮がなされた後により明確になるであろう。
本発明の実施形態によるレドーム壁構造の断面斜視図である。 図1A及び図1Bは、それぞれ図1のレドーム壁構造中で使用された反射防止(AR)層をより詳細に示す。 図1A及び図1Bは、それぞれ図1のレドーム壁構造中で使用された反射防止(AR)層をより詳細に示す。 本発明の実施形態によるレドーム壁構造および下記実施例1に従って行った他の比較用のレドーム壁構造の透過損失(dB)と周波数(GHz)の関係を示すグラフである。 図3A及び図3Bは、従来の非防弾レドームハニカム複合材壁構造および図2に示した本発明による実施形態の防弾レドーム壁構造の透過損失(dB)の周波数(GHz)と入射角(度)の関係のグラフである。 図3A及び図3Bは、従来の非防弾レドームハニカム複合材壁構造および図2に示した本発明による実施形態の防弾レドーム壁構造の透過損失(dB)の周波数(GHz)と入射角(度)の関係のグラフである。 図4及び図5は、本発明の実施形態によるレドーム壁構造および下記実施例2に従って行った他の比較用のレドーム壁構造の透過損失(dB)と周波数(GHz)の関係および送信電力(%)と周波数(GHz)の関係をそれぞれ示すグラフである。 図4及び図5は、本発明の実施形態によるレドーム壁構造および下記実施例2に従って行った他の比較用のレドーム壁構造の透過損失(dB)と周波数(GHz)の関係および送信電力(%)と周波数(GHz)の関係をそれぞれ示すグラフである。 本発明の別の実施形態によるレドーム壁構造の断面斜視図である。 図7及び図8は、本発明の実施形態によるレドーム壁構造および下記実施例3に従って行った他の比較用のレドーム壁構造の透過損失(dB)と周波数(GHz)の関係および送信電力(%)と周波数(GHz)の関係をそれぞれ示すグラフである。 図7及び図8は、本発明の実施形態によるレドーム壁構造および下記実施例3に従って行った他の比較用のレドーム壁構造の透過損失(dB)と周波数(GHz)の関係および送信電力(%)と周波数(GHz)の関係をそれぞれ示すグラフである。
本明細書中で開示される複合レドーム壁構造は、防弾特性およびレーダー透過(radar transparency)特性の両方を示す。したがってこのレドーム壁構造はレドーム、例えば一般にレーダーアンテナを保護するドーム形構造の形成に使用するのに有用であることができる。レドームは、平坦、弓形などであることができるが、一般にはドーム形であることが好ましい。レドームは、航空機、車両、航海船上で、また地上型設備上で見出される。
以前に注記したように本明細書中で開示する複合レドーム壁構造は、一般には中実の空隙のない防弾内側コアと、このコアを間に挟む外側の表面層とを含むであろう。コアとAR表面層の接着を高めるために、および/またはそのレーダーシステムに関連のある送受信周波数の方へレドーム壁構造を選択的に向けるために、任意選択で1枚または複数枚の他の機能層を、防弾コアと外側のAR表面層の一方(または両方)との間に位置決めすることもできる。
防弾コアは、一方向に向きを定めたポリマーの単層の複数枚を互いに或る角度で交差するように貼り合わせ、圧縮した中実の空隙のないポリマー材料(例えば、ポリエチレンおよび/またはポリプロピレンから選択されるポリオレフィン)であることが最も好ましい。幾つかの好ましい実施形態によれば単層のそれぞれが、実質的に接合用樹脂を欠く超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)からなる。
単層を形成するUHMWPEは、米国特許第7,993,715号明細書および第8,128,778号明細書(参照により本明細書に完全に組み込まれる)で開示されているようなテープの形態であることができる。好ましくはコアを形成するために使用されるテープの幅は、少なくとも2mm、より好ましくは少なくとも5mm、最も好ましくは少なくとも10mmである。実用性によってのみ制限されるが、テープの幅は最大でも400mmであり、時には最大でも300mmであり、また時には最大でも200mmであることもある。
テープの面密度は、5〜200g/mの間であり、時には8〜120g/mの間であり、また時には10〜80g/mの間であることもある。テープの面密度は、テープから適切に切り取った表面を計量することによって求めることができる。テープの平均厚さは、最大でも120μm、時には最大でも50μm、また時には5〜29μmの間であることもできる。平均厚さは、例えば顕微鏡でテープの異なる断面について測定し、その結果を平均することができる。
テープの製造に使用することができる好適なポリオレフィンは、具体的にはエチレンおよびプロピレンのホモポリマーおよびコポリマーであり、それはまた、少量の1種類または複数種類の他のポリマー、具体的には他のアルケン−1−ポリマーを含有することができる。
ポリオレフィンとして線状ポリエチレン(PE)を選択する場合、特に良好な結果が得られる。線状ポリエチレンは、本明細書中ではC原子100個に付き1個未満の側鎖、好ましくはC原子300個に付き1個未満の側鎖(側鎖または分岐は一般に少なくとも10個のC原子を含有する)を有するポリエチレンを意味するものと理解されたい。側鎖は好適には、例えば欧州特許第0269151号明細書に記載されているように厚さ2mmの圧縮成形フィルム上でFTIRによって測定することができる。線状ポリエチレンはさらに、それと共重合可能な1種類または複数種類の他のアルケン、例えばプロペン、ブテン、ペンテン、4−メチルペンテン、オクテンを5モル%まで含有することができる。好ましくはこの線状ポリエチレンは少なくとも4dl/g、より好ましくは少なくとも8dl/gの固有粘度(IV、135℃でデカリンに溶かした溶液に関して求められる)を有する高モル質量のものである。このようなポリエチレンは、超高モル質量ポリエチレンとも呼ばれる。固有粘度は、MnおよびMwのような実際のモル質量のパラメーターよりも容易に求めることができる分子量の尺度である。IVとMwとの間には幾つかの経験的関係があるが、そのような関係は分子量分布に大きく依存する。式、Mw=5.37×10[IV]1.37(欧州特許出願公開第0504954A1号明細書参照)に基づき、4または8dl/gのIVは、それぞれ約360または930kg/モルに相当するであろう。
テープはまた、エンドレスベルトの組合せの間にポリマー粉末を供給し、そのポリマー粉末を融点(融解温度とも呼ばれる)未満の温度で圧縮成形し、得られる圧縮成形されたポリマーを巻き取り、続いて延伸することによって調製することができる。このような工程は、例えば欧州特許出願公開第0 733 460A2号明細書に記載されており、これは参照により本明細書中に援用される。圧縮成形はまた、運搬の間のエンドレスベルト間にポリマー粉末を一時的に保持することによって行うこともできる。これは、例えばエンドレスベルトと共に圧締用プラテンおよび/またはローラーを設けることによって行うことができる。好ましくはUHMWPEがこの方法では使用され、それは固体の状態で延伸可能である必要がある。
テープを形成するための別の好ましい方法は、ポリマーを押出機に供給するステップ、その融点を超える温度でテープを押し出すステップ、およびその押し出されたポリマーテープを延伸するステップを含む。好ましくはこのポリエチレンテープは、ゲル法によって調製される。好適なゲル紡糸法は、例えば英国特許出願公開第A−2042414号明細書、英国特許出願公開第A−2051667号明細書、欧州特許出願公開第0205960A号明細書、国際公開第01/73173A1号パンフレット、および「最新の繊維紡糸技術(Advanced Fibre Spinning Technology)」Ed.T.Nakajima,Woodhead Publ.Ltd.(1994)、ISBN 185573 182 7に記載されている。このような方法を、スリット押出ダイを使用することによって簡単に修正してテープを生産することができる。要するにこのゲル紡糸法は、高い固有粘度のポリオレフィンの溶液を準備するステップ、溶解温度を超える温度でその溶液を押し出してテープにするステップ、そのテープをゲル化温度未満の温度まで冷却し、それによってテープを少なくとも部分的にゲル化するステップ、溶媒の少なくとも部分的除去の前、その間および/またはその後にそのテープを延伸するステップを含む。
その生産されたテープの延伸、好ましくは一軸延伸は、当業界で知られている手段によって行うことができる。そのような手段は、適切な延伸装置上での押出延伸および引張延伸を含む。高い機械的強度および剛性を達成するために延伸を多段階で行うことができる。好ましい超高分子量ポリエチレンテープの場合、延伸は一般には一軸で複数の延伸ステップで行われる。最初の延伸ステップは、例えば延伸倍率3倍までの延伸テップを含む。ポリオレフィンがUHMWPEの場合、テープを最高120℃までの延伸温度で9倍に延伸し、最高140℃までの延伸温度で25倍に延伸し、最高150℃までの、また150℃を超える温度で50倍まで延伸する多段延伸が、好ましくは使用される。次第に高まる温度での多段延伸によって約50倍以上の延伸倍率に達することができる。これは高強度のテープをもたらし、それによって超高分子量ポリエチレンテープの場合、1.2GPa〜3GPaの強度範囲を容易に得ることができる。
得られる延伸テープは、そのようなものとして使用することもでき、またはそれらを所望の幅に切断する、または延伸の方向に沿って裂くこともできる。UHMWPEテープの場合、面密度は好ましくは50g/m未満、より好ましくは29g/mまたは25g/m未満である。好ましくはこのテープは、少なくとも0.3GPa、より好ましくは少なくとも0.5GPa、さらに一層好ましくは少なくとも1GPa、最も好ましくは少なくとも1.5GPaの引張強さを有する。
複数本のポリオレフィンテープが単層を形成し、次いでテープの一方向延伸を基準にして各単層に他の隣接する単層をバイアスに積み重ねてコアを形成することができる。これらのテープは、重ね合わせるか端部を突き合わせるように並列して位置を合わせることができる。幾つかの実施形態によれば各単層のテープは、例えば国際公開第2006/075961号パンフレット(その内容は参照により本明細書に援用される)に記載のように織布であることができる。この点については織布層は縦糸と緯糸から作ることができ、杼口の形成および布の巻取りを助けるようにテープ状の縦糸を送り込むステップと、前記縦糸によって形成された杼口中にテープ状緯糸を挿入するステップと、挿入されたテープ状緯糸を布のフェル(fell)に積もらせるステップと、生産された織布層を巻き取るステップとを含み、このテープ状緯糸を挿入するステップは、圧締めによって本質的に平坦な状態に緯糸テープを把持するステップおよびそれに杼口を通り抜けさせるステップを伴う。挿入される緯糸テープは、好ましくは所定の位置でその供給源から切り離されてから布のフェル位置に積もらせる。テープを織る場合、特別に設計された織り要素(weaving elements)がその織布工程で使用される。特に好適な織り要素は、米国特許第6,450,208号明細書(その内容もまた参照により本出願中で援用される)に記載されている。好ましい織り構造は、平織り、斜子織り、朱子織り、および千鳥綾織りである。平織りが最も好ましい。
好ましくはプライの層中の緯糸方向は、隣接するプライの層の緯糸方向と或る角度の下にある。その角度は、約90である。
別の実施形態ではテープの層は、一方向に揃えられたテープの配列、すなわち共通の方向に沿って走るテープを含有する。テープはそれらの長さに沿って部分的に重なり合ってもよいが、それらはまた、それらの長さに沿って端部を突き合わされてもよい。重なり合う場合、その重複領域は、幅約5μm〜約40mmの間である。好ましくはプライの層中のテープの共通の方向は、隣接するプライの層中のテープの共通の方向とある角度にある。隣接する単層間のバイアス角は、約20〜約160の間であることができ、時には約70〜約120の間、さらに時には約90の角度であることもある。
次いでテープを、ポリエチレンの融点温度未満、好ましくは110〜150℃の温度下で、かつ10〜100N/cmの圧力下で圧縮することができる。次いで、得られた単層を他の単層と一緒に組み立ててスタックにすることができる。
次いで、バイアスプライの単層のスタック(好ましくは接合樹脂または結合材を欠く)を、高圧力および高温下で防弾コアを形成するのに十分な時間のあいだ圧縮することができる。幾つかの実施形態によればコアは、互いにある角度で圧縮された70〜280枚の間のポリエチレンの単層を含有することができる。
単層のスタックは、そのUHMWPEの融点未満の温度で圧縮することができる。一般に単層のスタックを圧縮するステップは、ほぼ一定の圧力下において約90〜約150℃の間、時には約115〜約130℃の間の圧縮温度で、任意選択で70℃未満に冷却して達成することができる。圧縮温度とは、圧縮される単層のスタックの厚さが半分になる温度を意味する。約40〜約180分の間の圧縮時間の間で100〜180バールの間、時には12〜160バールの圧縮圧力を使用することができる。
防弾コアは、追加としてまたは別法では一方向(UD)に配向した繊維を含有する単層を含むこともでき、それらは、例えば米国特許第5,766,725号、米国特許第7,527,854号明細書、および米国特許出願公開第2010/0064404号明細書(それぞれの全内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる)により完全に開示されている。防弾コア中の繊維は、3.5〜4.5GPaの間の引張強さを有することができる。繊維は、好ましくは3.6〜4.3GPaの間、より好ましくは3.7〜4.1GPaの間、最も好ましくは3.75〜4.0GPaの間の引張強さを有することができる。さらに一層好ましくはゲル紡糸法、例えば英国特許出願公開第2042414A号明細書または国際公開第01/73173号パンフレット(参照により本明細書に援用される)に記載されているものなどによって調製されたポリエチレンフィラメントからなる高性能ポリエチレン繊維または高延伸ポリエチレン繊維が使用される。これらの繊維の利点は、それらが軽量と相まってきわめて高い引張強さを有し、その結果、具体的にはそれらが軽量の防弾物品に使用するのにきわめて適していることである。
単層を形成するUD繊維は、単層の構造が予成形シートの取扱いおよび製造の間ずっと維持されるように繊維を全体として、または部分的に取り囲むことができるマトリックス材料によって結び合わせることができる。マトリックス材料は様々な形態および方法で、例えば繊維の単層間にフィルムとして、一方向に整列した繊維間に横向きの接合用ストリップとして、または横向きの繊維(一方向の繊維に対して横向きの繊維)として、あるいは繊維にマトリックス材料を含浸させ、かつ/またはそれを埋め込むことによって適用することができる。
本明細書中で使用される用語「防弾特性」とは、その物品が、国立司法省研究所(NIJ)基準の防弾特性レベルIII(約2800fpsのV50を有する7.62mm、150グレインのフルメタルジャケット(FMJ)弾に対する防護)、および/または国立司法省研究所(NIJ)の防弾特性レベルIVの基準(10.8グラムの重量を有する公称速度868メートル/秒で口径30のAP弾を超える運動エネルギーと同等とみなす)を達成することを意味する。
この剛性コアの厚さは、それが防弾特性を有するという条件で変えることができる。一般にはコアの厚さは、約10mmから約60mmまで、時には約15mm〜約40mmの間で変えることができる。コアの幾つかの実施形態は、約25mm(±約0.5mm)の厚さを有するであろう。
前述の防弾コアは、好ましくは一対の外側の反射防止(AR)表面層の間に挟まれる。AR表面層は、望ましいレーダー透過性を達成する材料の塗膜またはフィルムであることができる。幾つかの実施形態によればAR表面層は、X帯域(8〜18GHz)周波数に適したサブ波長構造(SWS)である。
用語「サブ波長構造」(「SWS」と短縮される)とは、入射放射線の波長よりも短いサイズに関して表面レリーフ格子を有する材料の層を指すことを意味する。反射防止層は、例えばMirotznik等、「逆モスアイ表面の広帯域反射防止特性(Broadband Antireflective Properties of Inverse Motheye Surfaces)」,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.58,No.9,September 2010、およびMirotznik等、「ミリメートル波の周波数でのモスアイ反射防止表面の反復設計(Iterative Design of Moth−Eye Antireflective Surfaces at millimeter wave Frequencies)」,Microwave and Optical Technology letters,Vol.52,No.3,March 2010(それぞれの全内容は参照により本明細書中に明示的に組み込まれる)に記載されている手法に従って形成することができる。
幾つかの実施形態によれば、複合レドーム壁構造の外側SWS層は、約2〜約10mmの間、時には約4〜約6mmの間の厚さを有するミクロ機械加工(例えばレーザーによる)ポリプロピレンフィルムで形成されるであろう。約4.5〜約5mmの間の厚さを有するポリプロピレンフィルムを幾つかの実施形態に従って使用することもできる。
上側のほぼ円筒形の凹部と、その凹部に関して同軸に位置決めされた下側のほぼ円筒形の開口部とからなる複数個の密な凹状のレリーフ構造を得るようにポリプロピレンフィルムをレーザー機械加工することができる。上側の凹部の平均の深さおよび直径は、それぞれ約4.0〜約6.0mmの間の範囲にあることができる。好ましくはK帯域周波数の場合、上側の凹部の平均の深さおよび直径は、一般にはそれぞれ約4.64および5.16mmであるだろう。下側の開口部の平均の深さおよび直径は、一般にはそれぞれ約2.5〜約3.0mmの間および約4.5〜約5.0mmの間であるだろう。K帯域周波数の場合、下側の開口部の平均の深さおよび直径は、一般にはそれぞれ約4.88mmおよび約2.78mmであるだろう。凹状のレリーフ構造は、隣接する凹状のレリーフ構造の中心が、約5.0〜約7.0mmの間、一般には約6.0mmだけ互いに離れた状態で複数個の密なオフセットした行と列の中に対称的に位置決めされている。
モスアイ表面は、外方に向かって突き出していても、また内方に向かって逆の凹部であってもどちらでもよい。好ましくは本明細書中で開示される実施形態の場合、モスアイ表面は、内方に向かって逆の凹部である。本質的にモスアイ表面は、特に大気(空気ε≒1.0)からレドームの外層に進む電磁信号の透過効率を増加させる実効誘電率(■)を生み出す。これはまた、特に同調させた誘電特性および厚さを有するフィルムのスタック層でも達成することができる。この手法は幅広い材料で使用することができるが、現下では架橋ポリスチレンマイクロ波プラスチック(PEXOLITE(登録商標)ポリスチレン)を逆モスアイ手法のSWS構造と併せて使用するのが好ましい。満足に使用することができる別の材料は、3.0〜15の範囲にある誘電率を有する低損失プラスチック原料(例えばECCOSTOCK(登録商標)HIK材料)である。モスアイ表面は、当業界でよく知られている手法に従ってその構造の所望の周波数応答によって決まる仕様に対してCNC工作機械により加工することができる。
コアとAR表面層の接合を高めるために、および/またはレドーム壁構造を所望のレーダー周波数範囲にインピーダンス整合させるために、追加の層を防弾コアと外側のAR表面層の間に使用することができる。
防弾コアと表面板の接着は、好ましくは熱可塑性接着剤の使用によって達成される。具体的にはアイオノマー等級の熱可塑性樹脂、例えばエチレン/メタクリル酸(E/MAA)コポリマー(そのMAAの酸基がナトリウムイオンで部分的に中和されている)が特に好ましい。このような目的に対して現下での一つの好ましい樹脂は、SURLYN(登録商標)8150ナトリウムアイオノマー熱可塑性樹脂である。
防弾コアと表面板の表面接合はまた、プラズマおよび/またはコロナ処理技術によっても達成することもできる。
使用することができる一つのこのような追加の層は、AR層と防弾コアとの間に挿入される強化樹脂マトリックス層から形成される表面板である。シアン酸エステル樹脂および/またはエポキシ樹脂などの樹脂マトリックスをこのような目的のために使用することができる。シアン酸エステル樹脂は、望ましい電気的および熱的特性を有するものとして当業界でよく知られている。シアン酸エステル樹脂は、例えば参照により本明細書中に含まれる米国特許第3,553,244号明細書中に記載されている。これらの樹脂の硬化は、特に触媒、例えば米国特許第4,330,658号明細書、第4,330,669号明細書、第4,785,075号明細書、および第4,528,366号明細書に記載されているものの存在下での加熱によって影響を受ける。またシアン酸エステル樹脂とは、本明細書中では、例えば米国特許第4,110,364号明細書、第4,157,360号明細書、第4,983,683号明細書、第4,902,752号明細書、および第4,371,689号明細書中で開示されているものなどのシアン酸エステル樹脂のブレンド物と理解されたい。
好ましくはシアン酸エステル樹脂は、難燃性シアン酸エステル樹脂、例えば日本特許第05339342号公報および米国特許第4,496,695号明細書中で開示されているものであり、これらの特許明細書は、シアン酸エステルと臭素化エポキシのブレンド物、またはポリ(フェニレンエーテル)(PPE)、シアン酸エステルおよび臭素化エポキシのブレンド物について述べている。より好ましくはシアン酸エステル樹脂は、米国特許第4,097,455号明細書および第4,782,178号明細書に開示されているような臭素化シアン酸エステル類の難燃性ブレンド物、あるいは米国特許第4,782,116号明細書および第4,665,154号明細書に記載されているようなシアン酸エステルとビス(4−ビニルベンジルエーテル)または臭素化ビスフェノールのブレンド物である。日本特許第08253582号公報中で開示されているようなシアン酸エステルと臭素化ポリ(フェニレンエーテル)、ポリカーボネート、またはペンタブロモベンジルアクリレートのブレンド物もまた、本発明において使用するのに適している。
表面層の樹脂マトリックスを形成するのに使用される好適なエポキシ樹脂は、例えば塗料配合物の総重量を基準にして約20重量%〜約95重量%の量のエポキシモノマーまたは樹脂を含むものであることができる。幾つかの実施形態は、硬化性塗料配合物中に約30重量%〜約70重量%のエポキシモノマーを含む。Shell Chemical Company,Houston,Tex.から入手できるEPON Resin、例えばEPON Resin 1001F、1002F、1007F、および1009F、ならびに2000シリーズの粉末状EPON Resin、例えばEPON Resin 2002、2003、2004、および2005を含めたエポキシ樹脂を使用することができる。このエポキシモノマーまたは樹脂は、高い架橋密度と、約3以上の官能価と、250未満のエポキシ等量とを有することができる。本発明の実施形態に従って使用することができるエポキシの実例には、The Dow Chemical Company(Midland,Mich.)のエポキシノボラック樹脂、D.E.N.431、D.E.N.438、およびD.E.N.439が挙げられる。
また、エポキシ樹脂用の硬化剤をエポキシ成分の約1重量%〜約10重量%の量で加えることができる。硬化剤は触媒または反応物、例えば反応性ジシアンジアミドであることができる。また、塗料配合物の重量を基準にして約1重量%〜約50重量%のエポキシ溶媒を塗料配合物に含ませることもできる。エポキシ溶媒はエポキシモノマーまたは樹脂を溶かすために、またはその粘度を調整するために加えることができ、その溶媒はリン酸トリエチルおよびエチレングリコールが好ましい。そのエポキシが室温で液体である、あるいはその塗料配合物のフッ素化モノマーまたは界面活性剤成分がエポキシの溶媒の機能を果たす本発明の幾つかの実施形態によれば別個のエポキシ溶媒を必要としないこともある。
本発明の幾つかの実施形態による表面板は、好ましくは最大でも6.0.時には最大でも5.0、また時には最大でも4.0の誘電率(ε)を示すであろう。幾つかの実施形態によれば表面板は誘電率を示す。好ましくは表面板の前記誘電率(ε)は、約2.0〜約4.0の間、時には約3.0〜約3.75の間であるだろう。有利には約3.5〜約3.7の間の誘電率(ε)を有するガラス強化シアン酸エステル樹脂から形成される表面板を使用することができる。
エポキシ樹脂の誘電率および誘電損失は、電磁透過ラインを電磁雑音のない室中に位置決めした状態で同軸プローブを使用して日常的に測定することができる。好ましくは補強表面板の誘電損失は最大でも0.025、より好ましくは最大でも0.0001である。好ましくは前記誘電率は、0.0001〜0.0005の間である。
表面板は、単一または多重プライフィルム、スクリム、繊維、点、布片などの形態であることができる。好ましくは表面板層はスクリム、より好ましくはフィルムの形態である。一般に表面板層は、非硬化または部分硬化樹脂組成物として防弾コアのそれぞれの表側の面上に直接に貼り付けられ、続いて本発明の材料が含有している複数枚のプライを圧密化する工程の間に硬化される。表面板は、外側AR表面層のそれぞれと防弾コアとの間に挿入することもでき、または任意選択で一方のコア表面と対応する隣接したAR表面層との間にのみ挿入することもできる。
表面板を形成する樹脂マトリックスは、最も好ましくは適切な繊維性または粒子性充填材で補強される。したがって表面板の樹脂マトリックスは、繊維性または粒子性のガラス、黒鉛、および/または炭素材料を含むことができる。ガラス繊維、例えばSガラス繊維またはEガラス繊維が好ましい。
[製造方法]
任意の従来の手段によって外側のAR表面層および任意選択のインピーダンス整合層を防弾コア上で組み立てることができる。次に、こうして組み立てられたレドーム壁の様々な層を、好ましくはDSCによって測定されるそのポリオレフィンの融点(Tm)未満の温度で圧力をかけることによって圧密化することができる。有用な圧力には、少なくとも50バール、時には少なくとも75バール、また他の時には少なくとも100バールの圧力が挙げられる。圧密化の温度は、Tmを10℃下回る温度とTmとの間、時にはTmを5℃下回る温度とTmを2℃下回る温度との間であることができる。その使用される温度は、シアン酸エステル樹脂の硬化温度を超える温度であるべきである。UHMWPEテープを使用する場合、好適な温度は120℃〜150℃の間、より好ましくは130℃〜140℃の間である。
表面板と防弾コアの接着は、その表面板が貼り付けられるコアの表面をコロナ処理および/またはプラズマ処理にかけることによって高めることができる。
[実施例]
[実施例1]
添付の図1は、本発明の実施形態によるレドーム壁構造10の模式的な断面斜視図である。図1に示すレドーム壁構造10は、前述の圧密化された複数枚のUHMWPEの単層から形成され、外側のAR表面層14−1、14−2それぞれの間に挟まれた防弾コア12を含む。図示した実施形態中のAR表面層14−1、14−2は、SWS構造を有する架橋ポリスチレンマイクロ波プラスチック(REXOLITE(登録商標)1422ポリスチレン)から形成される。そのAR表面層14−1、14−2はモスアイ表面である。すなわち各表面層14−1、14−2は、凹部の形のミクロ機械加工されたサブ波長表面(SWS)構造を含み、その凹部の少数の代表は、それぞれ参照番号14−1a、14−2aによって識別される。
Sガラス強化シアン酸エステル材料の各単一プライ表面板16−1、16−2が、防弾コア12とそれぞれのAR表面層14−1、14−2との間にそれぞれ挿入される。
防弾コア12の厚さは約25.4mmであり、一方、AR表面層14−1、14−2の各厚さは約9.525mmであった。単一プライ表面板16−1、16−2の厚さは約11ミル(約0.279mm)であった。
AR表面層14−1、14−2は、図2Aおよび2Bに示すように構築された。この点についてはAR表面層14−1は図2Aおよび2Bに例として描かれ、AR表面層14−2も同様に構成されていることが分かる。具体的にはSWS構造14−1aのそれぞれは、上側のほぼ円筒形の凹部14−1bおよびほぼ円筒形の開口部14−1cを含む凹部の形であった。上側のほぼ円筒形の凹部14−1bの直径および深さの寸法DおよびDは、それぞれ約5.195mmおよび約4.640mmであった。下側の開口部14−1cの直径および深さの寸法DおよびDは、それぞれ約2.778mmおよび約4.885mmであった。これらSWS構造14−1aの隣接する凹部は、約6.00mmだけ距離Dによって隔てられた。図1Aに示すようにSWS構造14−1aは、構造14−1aのそれぞれが、隣接する列中の構造14−1aに対して分離距離Dの半分だけオフセットした列をなして位置合わせされた。
図1Aおよび1Bに示すようにAR表面層14−1、14−2を有する図1の複合レドーム壁構造に、無響室中で約10GHz〜約40GHzの周波数の間の垂直入射放射線をあてた。放射線の透過損失(dB)を周波数に対してプロットし、ハニカムコアを含有する従来のAサンドイッチ構造レドーム壁構造と比較した。さらに図1の構造をまた、外側のAR表面層が存在しない状態で試験した。その結果は図2に見られる。
図に見られるように本発明の実施形態は、関心のある周波数全体にわたって、すなわち26〜40GHzにわたって0.5dB未満の透過損失を達成した。さらに、本発明による実施形態の放射線透過損失特性は、関心のある26〜40GHzの周波数範囲に対してハニカムコアを有する従来技術の通常のAサンドイッチ構造レドーム壁構造に匹敵した。
図3Aおよび3Bは、様々な放射線入射角における図1によるレドーム壁構造の透過損失(dB)を示す。図に見られるように両方のレドーム壁構造は、関心のある26〜40GHzの周波数範囲に対してそれら透過損失がやや似ていることを示す。
[実施例2]
図1Aおよび1Bに示すAR表面層14−1、14−2を有する図1の複合レドーム壁構造に、無響室中で約4GHz〜約40GHzの周波数の間の垂直入射放射線をあてた。結果を添付の図4および5に示す。
図4および5に見られるように8〜18GHzのX帯域周波の周波数に対してこの複合レドーム壁構造は、0.2dB未満の透過損失および95%を超える送信電力パーセントを示した。
[実施例3]
図4は、本発明によるレドーム壁構造20の別の実施形態の断面の側面図である。図1の構造と同様に、図4のレドーム壁構造20は、中実の空隙のない防弾コア22および外側のAR表面層24−1、24−2を含む。S2ガラス強化シアン酸エステル材料のそれぞれの単一プライ表面板26−1、26−2は、板26−2のうちの1枚がコア22とAR表面層24−2との間に挟まれるように防弾コア22のそれぞれ向かい合った面に隣接して位置決めされる。追加のインピーダンス整合層27および28が、シアン酸エステルシート26−1とAR表面層24−1との間に挿入される。層27は、3〜15の範囲にある誘電率(ε)を示すことができるECCOSTOCK(登録商標)HiK材料として知られる制御された誘電率の材料である。インピーダンス整合層28は、誘電率9を有するアルミナ酸化物(Al)セラミックである。セラミック層28の一つの追加の機能上の目的は、それが徹甲(AP)弾などの高レベルの脅威が貫通するのを妨げるようにレドーム構造20の打撃面(strike face)としての機能を果たすため、弾道飛翔体に対する防護として役立つことである。これらの弾道飛翔体の脅威レベルは一般に国立司法省研究所(NIJ)のレベルIVの基準(10.8グラムの重量を有する公称速度868m/秒の口径30のAP弾を超える運動エネルギーと同等とみなす)を超える。
図4の構造を、外側のAP表面層26−1、26−2によって与えられるインピーダンス整合層の有無による送信電力のパーセントを8.0〜18.0GHzのX帯域周波数および27.0〜40.0GHzのK帯域周波数の両方で調べた。結果を図7および8のグラフにそれぞれ示す。図に見られるようにAP表面層26−1、26−2によって与えられるインピーダンスの整合により送信電力の90%超がX帯域(図7)およびK帯域(図8)の周波数範囲内で達成された。
[実施例4]
厚さ0.76mmを有するHEXCELから商業的に購入した構造用発泡ポリウレタンフォームの1層を、Sガラス強化シアン酸エステル材料16−1、16−2の各単一プライ表面板それぞれと防弾コア12との間に挿入することによって実施例1を繰り返した。こうして形成された複合レドーム壁に、無響室中で約4GHz〜約40GHzの周波数の間の垂直入射電磁線をあてた。
防弾コア12の厚さは約25.4mmであり、一方、AR表面層14−1、14−2の厚さはそれぞれ約6.35mmであった。単一プライ表面板16−1、16−2はそれぞれ約0.75mmであった。
4GHz〜40GHzのX帯域周波数にわたってこの複合レドーム壁構造は、良好な構造および防弾特性ならびに90%を超える送信電力パーセントに加えて、垂直入射において2GHz〜41GHzで0.5dB未満の透過損失よりも低い透過損失を示した。
本発明を、現下での最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられているものに関して述べてきたが、本発明は、その開示された実施形態に限定されず、それどころか本発明の精神および範囲内に含まれる様々な修正形態および等価配置を包含することを意図していることを理解されたい。

Claims (20)

  1. 中実の空隙のない内側の防弾コアと、前記防弾コアを間に挟む外側の反射防止(AR)表面層と、少なくとも1枚のインピーダンス整合層と、を含み、
    前記外側の反射防止表面層が、サブ波長表面(SWS)構造であり、
    前記インピーダンス整合層がセラミック材料から形成され、かつ複合レドーム壁構造の打撃面をもたらすように前記防弾コアを基準にして位置決めされる、
    複合レドーム壁構造。
  2. 2〜40GHzの周波数において90%以上の電磁透過効率を示す、請求項1に記載の複合レドーム壁構造。
  3. 国立司法省研究所(NIJ)基準レベルIIIの防弾特性を示す、請求項2に記載の複合レドーム壁構造。
  4. 前記防弾コアが、角度バイアスを与えた一方向性ポリエチレン単層の圧縮されたスタックを含む、請求項1に記載の複合レドーム壁構造。
  5. 前記角度バイアスを与えた一方向性ポリエチレン単層が、一方向性ポリエチレンテープまたは繊維を含む、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  6. 前記ポリエチレンテープが、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)からなる、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  7. 前記SWS構造が、架橋ポリスチレンフィルムを含む、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  8. 前記架橋ポリスチレンフィルムが、約2〜約10mmの間の厚さを有する、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  9. 前記架橋ポリスチレンフィルムが、凹状のレリーフ構造を示すようにミクロ機械加工される、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  10. 前記凹状のレリーフ構造の隣接する構造の中心が、互いに約6.0mm隔てられている、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  11. 前記防弾コアと前記AR表面層のそれぞれの層との間に挿入された少なくとも1枚の強化樹脂マトリックス層をさらに含む、請求項1に記載の複合レドーム壁構造。
  12. 前記防弾コアと前記AR表面層の各層との間に挿入された強化樹脂マトリックス層を含む、請求項11に記載の複合レドーム壁構造。
  13. 前記強化樹脂マトリックス層が、繊維性または粒子性補強充填材を含む、請求項12に記載の複合レドーム壁構造。
  14. 前記補強充填材が、ガラス、黒鉛、および炭素から選択される少なくとも1種類である、請求項13に記載の複合レドーム壁構造。
  15. 前記打撃面が、前記外側のAR表面層のうちの外層と前記防弾コアとの間に位置決めされる、請求項に記載の複合レドーム壁構造。
  16. 請求項1または15に記載の複合レドーム壁構造を含むレドーム。
  17. 請求項16に記載のレドームを含むレーダーシステム。
  18. 外側の反射防止(AR)表面層間に、中実の空隙のない内側の防弾コア及び少なくとも1枚のインピーダンス整合層を挟むステップを含
    前記外側の反射防止表面層が、サブ波長表面(SWS)構造であり、
    前記インピーダンス整合層がセラミック材料から形成され、かつ複合レドーム壁構造の打撃面をもたらすように前記防弾コアを基準にして位置決めされる、
    複合レドーム壁構造の製造方法。
  19. 前記複合レドーム壁構造を得るのに十分な時間、高温高圧下で前記防弾コアおよびAR表面層を圧密化するステップを含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記防弾コアおよびAR表面層を圧密化する前記ステップが、120℃〜150℃の間の温度および少なくとも50バールの圧力で実施される、請求項19に記載の方法。
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