JP6727788B2 - 飛昇体 - Google Patents

Description

本発明は、アブレータ材による防熱構造を備えた飛昇体に関するものである。

高速飛行を行う飛昇体は、空力加熱によって先端部が高温となることが想定される。そこで、飛昇体の内部構造を熱から防護するため、防熱対策を行う必要がある。
防熱対策の一つとして、アブレーションがある。これは、樹脂及び繊維を主材料とするアブレータ材を飛昇体の外表面に配置し、加熱されたアブレータ材が昇華、溶融、あるいは炭化することで発生するアブレーションガスが外表面を覆うことにより熱防護を行う方法である（特許文献１参照）。

特許第５６３８２７１号公報

飛昇体の先端部は航行中の動圧により高強度の構造にする必要があるが、アブレータ材が気化する気化率が大きい低繊維密度のアブレータ材は強度が比較的低いため、必然的に高繊維密度の強度が高いアブレータ材を採用する必要がある。しかし、高繊維密度のアブレータ材は気化率が小さいためアブレーションによる防熱効果が低いという問題がある。

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、強度を維持しつつ熱防護性が確保されたアブレータ材を備えた飛昇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、本発明の飛昇体は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる飛昇体は、本体の外表面側に設けられ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する高繊維密度アブレータ部と、前記高繊維密度アブレータ部の前記アブレータ材よりも低繊維密度でかつ気化率が大きくされ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する低繊維密度アブレータ部とを備え、前記高繊維密度アブレータ部には、溝が形成され、前記低繊維密度アブレータ部は、前記溝に設けられ、前記溝は、前記外表面に連通していることを特徴とする。

高繊維密度アブレータ部は、低繊維密度アブレータ部に比べてアブレータ材の気化率が小さいが強度が高い。そこで、飛昇体の外表面には高繊維密度アブレータ部を配置する。一方、低繊維密度アブレータ部は、高繊維密度アブレータ部に形成された溝に設けられている。低繊維密度アブレータ部は、高繊維密度アブレータ部よりもアブレータ材の気化率が大きいので、高繊維密度アブレータ部の溝に設けても気化することができる。低繊維密度アブレータ部のアブレータ材が気化したアブレーションガスは、溝が外表面に連通していることにより、外表面に到達して外表面を覆うことで防熱を行うことができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記溝の前記外表面側の全面が、該外表面に開口していることを特徴とする。

溝の外表面側の全面が外表面に開口しているので、溝に設けた低繊維密度アブレータ部が外表面に沿って流れる主流に面することになる。これにより、アブレータ材が気化しやすくなり、アブレーションガスの発生を促進することができ、防熱効果を高めることができる。
また、溝がキャビティとしての役割を果たし、気化したアブレーションガスが溝内に滞留して断熱性を向上させることができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記本体の長手軸線を含む切断面で見た前記溝の縦断面形状が、四角形であることを特徴とする。

溝の縦断面形状を四角形とすることで、多くの低繊維密度アブレータ部を収容することができる。
溝の上流端における主流の境界層厚さの溝幅に対する比は、０．２８以上、好ましくは０．２８とするのが好ましい。これにより、溝の底面における熱伝達率が比較的低く抑えられるため、溝底面部分に位置する低繊維密度アブレータ部の気化を抑えることができ、比較的長期間にわたって強度を維持することができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記本体の長手軸線を含む切断面で見た前記溝の縦断面形状が、三角形であることを特徴とする。

溝の縦断面形状を三角形とすることで、溝の外表面における縁部に傾斜面を形成することができるので、主流の流れのはく離を可及的に抑えることができる。
四角形の溝に比べて、角部が少ないので、応力集中の箇所も少なくなり、比較的強度を高くすることができる。
低繊維密度アブレータ部は、主流からの熱によって徐々に外表面側から消失して行くが、溝が三角形状とされているので、低繊維密度アブレータ部が主流側に露出する表面積がアブレータ材の気化とともに小さくなる。したがって、飛行初期はアブレーションガスを多く発生させて高い防熱性能を発揮させ、飛行終期は低繊維密度アブレータ部の表面積が小さくなり、相対的に高繊維密度アブレータ部の表面積が大きくなるので、強度を高く保つことができる。このように、飛行初期に熱防護性が必要となる飛昇体に有効となる。
なお、三角形の各頂点の角度は、種々変更することができ、飛昇体の飛行計画に応じて調整される。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記溝は、前記外表面から隔てた前記高繊維密度アブレータ部の内部に形成されるとともに、前記外表面との間を接続する孔部によって連通されていることを特徴とする。

溝を外表面から隔てた高繊維密度アブレータ部の内部に形成し、この溝に低繊維密度アブレータ部を配置することとしたので、主として主流に面するのは低繊維密度アブレータ部よりも気化しにくい高繊維密度アブレータ部とすることができ、外表面の形状変化を可及的に抑えることができる。
溝に設けられた低繊維密度アブレータ部は、外表面からの入熱によって加熱されて気化する。気化したアブレーションガスは、溝と外表面との間を接続する孔部を通って外表面に導かれた後、外表面を覆って防熱を行う。
低繊維密度アブレータ部が気化した後は溝の内部にアブレーションガスが滞留するため、断熱効果を向上させることができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記孔部は、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向下流側に向けて傾斜していることを特徴とする。

孔部が主流の流れ方向下流側に傾斜しているので、アブレーションガスを円滑に流すことができる。
さらに、孔部の外表面における下流側には、孔部の流路断面積が主流の流れ方向下流側に向けて徐々に拡大することが好ましい。これにより、外表面の広範な領域にわたってアブレーションガスを導くことができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記溝は、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向に所定間隔を隔てて複数設けられ、前記主流の流れ方向を含む断面で見た前記溝の溝幅が、前記主流の上流側ほど大きくされていることを特徴とする。

複数ある溝のうち、主流の上流側ほど大きな溝幅を有するようにしたので、上流側の溝から多くのアブレーションガスを発生させることができ、防熱効果を高めることができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記溝は、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向に交差する方向に形成されるとともに、該主流の流れ方向に１つのみ設けられていることを特徴とする。

飛昇体の先端側では主流からの入熱によって高温となるので、溝を１つのみ形成して低繊維密度アブレータ部からアブレーションガスを下流側の外表面に導いてもよい。これにより、溝加工が少なくて済み、また低繊維密度アブレータ部の材料費を節約することができる。

さらに、本発明の飛昇体によれば、前記高繊維密度アブレータ部同士が付き合わされて接続される接合部に連通するように、前記溝が設けられていることを特徴とする。

高繊維密度アブレータ部同士が付き合わされて接続される接合部に連通するように溝を設け、低繊維密度アブレータ部を配置することとした。これにより、溝内で気化したアブレーションガスが溝や接合部の隙間に滞留することになり、防熱効果が得られるとともに、外部の高温ガスが接合部の隙間を通り飛昇体の内部に入り込むことを防ぐことができる。

飛昇体の外表面に高繊維密度アブレータ部を配置することで強度を維持することができる。そして、高繊維密度アブレータ部に形成した溝に低繊維密度アブレータ部を設けることで、低繊維密度アブレータ部のアブレータ材が気化したアブレーションガスを溝に連通した外表面に導き、熱防護性を確保することができる。

本発明の飛昇体の先端部を示した側面図である。 本発明の第１実施形態に係り、図１の外表面近傍を示した部分拡大縦断面図である。 キャビティ流れを示す縦断面図である。 図３に示したキャビティ形状とヌセルト数の関係を示したグラフである。 本発明の第２実施形態を示した部分拡大縦断面図である。 本発明の第３実施形態を示した部分拡大縦断面図である。 図６の孔部の下流側部分を示した斜視図である。 第３実施形態の変形例を示した部分拡大縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係り、（ａ）は飛昇体の先端部を示した部分縦断面図、（ｂ）は飛昇体の横断面図である。 図９のＡ部詳細を示した断面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１には、飛昇体１の先端部１ａが示されている。この先端部１ａは、長手軸線Ｌに直交する横断面が円形とされた先細り形状とされている。先端部１ａは、飛昇体１が高速飛行を行う際に空力加熱によって高温となる部分であり、また、航行中の動圧による負荷が加わる部分である。

図２に示されているように、飛昇体１は、内部機器を収容し保護するための構造材３と、構造材３の外周を取り囲むように設けられた高繊維密度アブレータ部５とを備えている。
高繊維密度アブレータ部５の外表面には、主流の流れ方向に所定間隔を隔てて複数の溝９が形成されている。各溝９は、それぞれ飛昇体１の先端部１ａの長手軸線Ｌ（図１参照）周りに１周分形成された無端状の凹所とされている。各溝９は、図２に示されているように、縦断面形状が四角形とされており、外表面Ｓ側の全面が開口している。また、各溝９は、主流ＭＦの流れ方向における溝幅が上流側の溝９ほど大きくされている。

各溝９には、低繊維密度アブレータ部７が充填されている。なお、図２では、低繊維密度アブレータ部７の外表面Ｓ側が部分的に気化して消失した状態となっているが、気化前は高繊維密度アブレータ部５とともに飛昇体１の外表面Ｓを連続した面で形成するようになっている。

高繊維密度アブレータ部５及び低繊維密度アブレータ部７は、樹脂と繊維マトリックスを主成分としたアブレータ材から構成されており、樹脂を繊維マトリックスに含浸させて形成されている。樹脂としては、例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。繊維マトリックスとしては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、シリカ繊維等が挙げられる。高繊維密度アブレータ部５として用いられるアブレータ材としては、低繊維密度アブレータ部７に用いられるアブレータ材の３倍程度（例えば０．６ｇ／ｃｍ３）の密度とされている。

図３及び図４には、溝９の溝幅ωの寸法の適正値が示されている。これらの図は、伝熱ハンドブック（日本機械学会，１９９３年）から引用したものである。図３に示すように、溝９は、流れ方向に溝幅ω、深さＤを有した形状とされている。溝９の上方を流れる主流は速度Ｕとされ、溝９の上流端における境界層厚さはδとされている。このような条件の下で、図４を参照すると、溝９の底面における熱伝達は、δ／ω＝０．２８以上のときが低いことが分かる。したがって、溝９の溝幅ωとしては、境界層厚さδの溝幅ωに対する比が０．２８以上、好ましくは０．２８とするのが好ましい。

上記構成の飛昇体１が高速飛行を行うと、空力加熱により、先ず主流ＭＦに面した低繊維密度アブレータ部７が気化する。気化したアブレーションガスは下流側へと流れて飛昇体１の外表面Ｓを覆い防熱を行う。これにより、低繊維密度アブレータ部７は、外表面Ｓ側から徐々に消失して行き、溝９内の外表面Ｓ側に空間を形成することになる。
一方、高密度繊維アブレータ部５は、低繊維密度アブレータ部７ほどは気化しないが、少しずつアブレーションガスを生成する。これにより、高繊維密度アブレータ部５は、外形状を保持したままとなる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
高繊維密度アブレータ部５は、低繊維密度アブレータ部７に比べてアブレータ材の気化率が小さいが強度が高い。そこで、飛昇体１の外表面Ｓには高繊維密度アブレータ部５を配置する。一方、低繊維密度アブレータ部７は、高繊維密度アブレータ部７に形成された溝９に設けることとした。低繊維密度アブレータ部７は、高繊維密度アブレータ部５よりもアブレータ材の気化率が大きいので、高繊維密度アブレータ部５の溝９に設けても気化することができる。低繊維密度アブレータ部７のアブレータ材が気化したアブレーションガスは、外表面Ｓを覆うことで防熱を行うことができる。

溝９の外表面Ｓ側の全面が外表面Ｓに開口しているので、溝９に設けた低繊維密度アブレータ部７が外表面Ｓに沿って流れる主流ＭＦに面することになる。これにより、アブレータ材が気化しやすくなり、アブレーションガスの発生を促進することができ、防熱効果を高めることができる。
また、溝９がキャビティとしての役割を果たし、気化したアブレーションガスが溝内に滞留して断熱性を向上させることができる。

溝９の縦断面形状を四角形とすることで、多くの低繊維密度アブレータ部７を収容することができる。
溝９の上流端における主流の境界層厚さδの溝幅ωに対する比は、０．２８以上、好ましくは０．２８とするのが好ましい。これにより、溝９の底面における熱伝達率が比較的低く抑えられるため、溝底面部分に位置する低繊維密度アブレータ部７の気化を抑えることができ、比較的長期間にわたって強度を維持することができる。
複数ある溝９のうち、主流ＭＦの上流側ほど大きな溝幅を有するようにしたので、上流側の溝９から多くのアブレーションガスを発生させることができ、防熱効果を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して溝の形状が異なり、その他の点については同様である。したがって、第１実施形態と共通の構成については同一符号を付しその説明を書略する。
図５に示されているように、溝１０の縦断面形状は三角形とされている。そして、三角形の底面の全面が外表面Ｓに開口するようになっている。したがって、溝１０の主流ＭＦ方向の溝幅は、深さ方向にいくにしたがい狭くなるようになっている。また、溝１０の溝幅は、主流ＭＦの上流側ほど大きくされている。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
溝１０の縦断面形状を三角形とすることで、溝１０の外表面Ｓにおける縁部に傾斜面を形成することができるので、主流ＭＦの流れのはく離を可及的に抑えることができる。
第１実施形態のような四角形の溝に比べて、角部が少ないので、応力集中の箇所も少なくなり、比較的強度を高くすることができる。
低繊維密度アブレータ部７は、主流ＭＦからの熱によって徐々に外表面Ｓ側から消失して行くが、溝１０が三角形状とされているので、低繊維密度アブレータ部７が主流ＭＦ側に露出する表面積がアブレータ材の気化とともに小さくなる。したがって、飛行初期はアブレーションガスを多く発生させて高い防熱性能を発揮させ、飛行終期は低繊維密度アブレータ部７の表面積が小さくなり、相対的に高繊維密度アブレータ部５の表面積が大きくなるので、強度を高く保つことができる。このように、飛行初期に熱防護性が必要となる飛昇体１に有効となる。
なお、三角形の各頂点の角度は、種々変更することができ、飛昇体１の飛行計画に応じて調整される。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図６及び図７を用いて説明する。
本実施形態は、上述の各実施形態に対して溝の形状が異なり、その他の点については同様である。したがって、上述の各実施形態と共通の構成については同一符号を付しその説明を書略する。
図６に示されているように、溝１１は、外表面Ｓから隔てた高繊維密度アブレータ部５の内部に形成されている。溝１１の縦断面形状は、四角形とされており、溝幅は、主流ＭＦの上流側ほど大きくされている。

溝１１と外表面Ｓとの間には、孔部１３が形成されており、溝１１と外表面Ｓ側とを連通させている。孔部１３は、横断面が例えば円形とされた細長い流路となっており、主流ＭＦの流れ方向下流側に向けて傾斜している。具体的には、孔部１３は、外表面Ｓの法線に対して下流方向へ鋭角の傾きを有している。
孔部１３の上流端（図において下方）は、溝１１の上面（外表面Ｓ側の面）に接続されている。孔部１３の下流端（図において上方）は、図７に示すように、孔部１３の流路断面積が主流ＭＦの流れ方向下流側に向けて徐々に拡大する形状となっている。孔部１３は、同一の縦断面において、主流ＭＦの上流側から２つの溝１１に対しては２つとされており、主流ＭＦの上流から３番目の溝１１に対しては１つとされている。ただし、孔部１３の数は特に限定されるものではなく適宜設定できる。また、溝１１の円周方向にも複数の孔部１３が適宜形成されている。
溝１１には、低繊維密度アブレータ部７が設けられており、気化したアブレーションガスは孔部１３を通って外表面Ｓへと導かれる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
溝１１を外表面Ｓから隔てた高繊維密度アブレータ部５の内部に形成し、この溝１１に低繊維密度アブレータ部７を配置することとしたので、主として主流ＭＦに面するのは低繊維密度アブレータ部７よりも気化しにくい高繊維密度アブレータ部５とすることができ、外表面Ｓの形状変化を可及的に抑えることができる。
溝１１に設けられた低繊維密度アブレータ部７は、外表面Ｓからの入熱によって加熱されて気化する。気化したアブレーションガスは、溝１１と外表面Ｓとの間を接続する孔部１３を通って外表面Ｓに導かれた後、外表面を覆って防熱を行うことができる。
低繊維密度アブレータ部７が気化した後は溝１１の内部にアブレーションガスが滞留するため、断熱効果を向上させることができる。
孔部１３が主流ＭＦの流れ方向下流側に傾斜しているので、アブレーションガスを円滑に流すことができる。
さらに、孔部１３の外表面Ｓにおける下流側は、孔部１３の流路断面積が主流の流れ方向下流側に向けて徐々に拡大する形状とされているので、外表面Ｓの広範な領域にわたってアブレーションガスを導くことができる。

また、図８に示すように、溝１１を１つのみ設ける構成としても良い。そして、孔部１３は、溝１１の主流ＭＦにおける下流側面に接続してもよい。孔部１３の形状は、図７に示したように、流路断面積が主流ＭＦの流れ方向下流側に向けて徐々に拡大する形状となっている。
このような構成によれば、飛昇体１の先端側では主流ＭＦからの入熱によって高温となるので、溝１１を１つのみ形成して低繊維密度アブレータ部７からアブレーションガスを下流側の外表面に導くことができる。これにより、溝加工が少なくて済み、また低繊維密度アブレータ部７の材料費を節約することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図９及び図１０を用いて説明する。
本実施形態は、上述の各実施形態に対して溝の形状が異なり、その他の点については同様である。したがって、上述の各実施形態と共通の構成については同一符号を付しその説明を書略する。
図９（ａ）に示されているように、上述した各実施形態と同様に飛昇体１の先端部１ａは、先細り形状となっている。そして、この飛昇体１は、図９（ｂ）に示した横断面におけるｙ軸に沿って半分に分割されるようになっている。換言すると、飛昇体１は縦割り構造となっている。

図１０には、図９（ｂ）に示したＡ部の拡大図が示されている。同図に示されているように、縦割り構造とされた飛昇体１の接合部は、高繊維密度アブレータ部５同士がインロー構造にて付き合わされた構成となっている。したがって、接合部は、同図に示されているように段付き形状となっている。接合部の合わせ面には、隙間１５が形成されている。
段付き形状を構成する突出部５ａには、溝１２が形成されている。溝１２の縦断面形状は四角形とされており、溝１２には低繊維密度アブレータ部７が設けられている。溝１２は、接合部の合わせ面における隙間１５を介して外表面Ｓまで連通している。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
高繊維密度アブレータ部５同士が付き合わされて接続される接合部に連通するように溝１２を設け、低繊維密度アブレータ部７を配置することとしたので、溝１２内で気化したアブレーションガスが溝１２や接合部の合わせ面における隙間１５に滞留することになり、防熱効果が得られるとともに、外部の高温ガスが接合部の隙間１５を通り飛昇体１の内部に入り込むことを防ぐことができる。

１ 飛昇体
１ａ 先端部
３ 構造材
５ 高繊維密度アブレータ部
５ａ 突出部
７ 低繊維密度アブレータ部
９，１０，１１，１２ 溝
１３ 孔部
１５ 隙間
Ｌ 長手軸線
Ｓ 外表面
ＭＦ 主流

Claims (7)

1. 本体の外表面側に設けられ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する高繊維密度アブレータ部と、
   前記高繊維密度アブレータ部の前記アブレータ材よりも低繊維密度でかつ気化率が大きくされ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する低繊維密度アブレータ部と、
   を備え、
   前記高繊維密度アブレータ部には、溝が形成され、
   前記低繊維密度アブレータ部は、前記溝に設けられ、
   前記溝は、前記外表面に連通し、かつ、前記外表面から隔てた前記高繊維密度アブレータ部の内部に形成されるとともに、前記外表面との間を接続する孔部によって連通され、
   前記孔部は、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向下流側に向けて傾斜していることを特徴とする飛昇体。
2. 本体の外表面側に設けられ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する高繊維密度アブレータ部と、
   前記高繊維密度アブレータ部の前記アブレータ材よりも低繊維密度でかつ気化率が大きくされ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する低繊維密度アブレータ部と、
   を備え、
   前記高繊維密度アブレータ部には、溝が形成され、
   前記低繊維密度アブレータ部は、前記溝に設けられ、
   前記溝は、前記外表面に連通し、
   前記高繊維密度アブレータ部同士が付き合わされて接続される接合部に連通するように、前記溝が設けられていることを特徴とする飛昇体。
3. 本体の外表面側に設けられ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する高繊維密度アブレータ部と、
   前記高繊維密度アブレータ部の前記アブレータ材よりも低繊維密度でかつ気化率が大きくされ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する低繊維密度アブレータ部と、
   を備え、
   前記高繊維密度アブレータ部には、溝が形成され、
   前記低繊維密度アブレータ部は、前記溝に設けられ、
   前記溝は、前記外表面に連通し、かつ、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向に所定間隔を隔てて複数設けられ、
   前記主流の流れ方向を含む断面で見た前記溝の溝幅が、前記主流の上流側ほど大きくされていることを特徴とする飛昇体。
4. 本体の外表面側に設けられ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する高繊維密度アブレータ部と、
   前記高繊維密度アブレータ部の前記アブレータ材よりも低繊維密度でかつ気化率が大きくされ、樹脂と繊維マトリックスを主成分とするアブレータ材を有する低繊維密度アブレータ部と、
   を備え、
   前記高繊維密度アブレータ部には、溝が形成され、
   前記低繊維密度アブレータ部は、前記溝に設けられ、
   前記溝は、前記外表面に連通し、かつ、前記外表面に沿って流れる主流の流れ方向に交差する方向に形成されるとともに、該主流の流れ方向に１つのみ設けられていることを特徴とする飛昇体。
5. 前記溝の前記外表面側の全面が、該外表面に開口していることを特徴とする請求項３又は４に記載の飛昇体。
6. 前記本体の長手軸線を含む切断面で見た前記溝の縦断面形状が、四角形であることを特徴とする請求項５に記載の飛昇体。
7. 前記本体の長手軸線を含む切断面で見た前記溝の縦断面形状が、三角形であることを特徴とする請求項５に記載の飛昇体。

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