JP7004096B1 - レドーム - Google Patents

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Abstract

【課題】シアネートエステル樹脂をスキン層に用いたレドームの品質を向上する。【解決手段】レドーム10は、コア材12の表面に複数のスキン層を積層した積層体で形成されている。複数のスキン層は、シアネートエステル樹脂と繊維素材とを含有する第1の繊維強化プラスチック層20と、エポキシ樹脂と繊維素材とを含有する第2の繊維強化プラスチック層16とを備え、コア材12の表面と接する位置には、第2の繊維強化プラスチック層16が配置されている。第2の繊維強化プラスチック層16の厚さがスキン層全体の厚さに占める割合は50%以下であることが好ましい。【選択図】図2

Description

本発明は、レドームに関する。
従来、レドームの電波透過率を向上させるために、材料面および構造面における各種の考案がなされている。
レドームの材料としては、一般に誘電率の低い素材が用いられており、最も低誘電率を得られる素材として、例えばシアネートエステル樹脂を使用した繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics :FRP)が用いられている(例えば下記特許文献1参照)。
また、レドームの構造としては、コア材の両面をスキン層で覆ってサンドイッチ構造とした積層体を用いてレドームを形成することにより、透過周波数を広帯域化している(例えば下記特許文献2参照)。
特開2019-056040号公報 特開2017-079448号公報
しかしながら、シアネートエステル樹脂は硬く脆い性質を有しており、コア材との接着力が弱くサンドイッチ構造が形成しづらい。このため、レドームを製造する際の歩留まりが悪化したり、製造後のレドームが破損しやすいといった課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、シアネートエステル樹脂をスキン層に用いたレドームの品質を向上することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の一実施形態にかかるレドームは、コア材の表面に複数のスキン層を積層した積層体で形成されたレドームであって、前記スキン層は、シアネートエステル樹脂と繊維素材とを含有する第1の繊維強化プラスチック層と、エポキシ樹脂と繊維素材とを含有する第2の繊維強化プラスチック層とを備え、前記コア材の表面と接する位置には、前記第2の繊維強化プラスチック層が配置されている、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態にかかるレドームは、前記第2の繊維強化プラスチック層の厚さが前記スキン層全体の厚さに占める割合が50%以下である、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態にかかるレドームは、前記スキン層は、前記コア材の両面に配置され、それぞれの表面に配置される前記スキン層の厚さはそれぞれ、前記レドームの透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下である、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態にかかるレドームは、前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、クオーツ繊維である、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態にかかるレドームは、前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、Eガラス繊維である、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態にかかるレドームは、前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、NEガラス繊維である、ことを特徴とする。
本発明の一実施形態によれば、レドームのスキン層にシアネートエステル樹脂を主成分とする第1の繊維強化プラスチック層を用いるとともに、コア材の表面と接する位置にはエポキシ樹脂を主成分とする第2の繊維強化プラスチック層を配置した。これにより、第2の繊維強化プラスチック層が、コア材と第1の繊維強化プラスチック層とを接着する接着層として機能し、レドームの電波透過性能とレドームの強度とを両立する上で有利となる。
本発明の一実施形態によれば、第2の繊維強化プラスチック層の厚さがスキン層全体の厚さ(第1の繊維強化プラスチック層の厚さと第2の繊維強化プラスチック層の厚さとの和)に占める割合を50%以下とした。これにより、第1の繊維強化プラスチック層と比較して誘電率が高い第2の繊維強化プラスチック層を配置することによる電波透過性能の低下を一定範囲に抑えることができる。
本発明の一実施形態によれば、スキン層の厚さがレドームの透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下なので、レドームの電波透過性能を良好に保つことができる。
本発明の一実施形態によれば、第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材が誘電率の低いクオーツ繊維なので、第1の繊維強化プラスチック層の誘電率を低くしてレドームの電波透過性能を向上させることができる。
本発明の一実施形態によれば、第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材がEガラス繊維なので、比較的安価にレドームを作成することができる。
本発明の一実施形態によれば、第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材がNEガラス繊維なので、Eガラス繊維を用いる場合と比較して第1の繊維強化プラスチック層の誘電率を低くしてレドームの電波透過性能を向上させることができる。
実施の形態にかかるレドームの外観図である。 レドームの拡大断面図である。 レドームの電波透過特性を示すグラフである。 レドームの電波透過特性を示すグラフである。 コア材にスキン層を積層した積層体のピール試験結果を示す表である。 試験に用いた積層体の構成を示す図である。 試験装置の構成を示す図である。
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるレドームの好適な実施の形態を詳細に説明する。
図1は、実施の形態にかかるレドームの外観図であり、図2はレドームの拡大断面図(A-A断面図)である。なお、図2ではレドーム10の延在方向における曲率を省略している。
図1に示すように、レドーム10は略円錐形状に成形されており、その内部に図示しないレーダー等が配置され、例えば航空機の先端部に配置される。なお、レドーム10の形状は、略円錐形状に限らず、半円型や多角錐形状など従来公知の様々な形状を採用可能である。
図2に示すように、レドーム10は、コア材12の表面に複数のスキン層(第1の繊維強化プラスチック層16および第2の繊維強化プラスチック層20)を積層した積層体で形成されている。
コア材12は、例えば有機樹脂の発泡体で形成されている。コア材12(発泡体)を形成する有機樹脂としては、例えばポリメタクリルイミド(PMI)、ポリビニール(PVC)、硬質ウレタン、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタラート(PET)等を用いることができる。
また、コア材12は、ハニカムコア構造体で形成されていてもよい。コア材12を形成するハニカムコア構造体の材料としては、例えば樹脂(アラミド)、ガラス繊維、木材(バルサ)などを用いることができる。
複数のスキン層は、それぞれ異なる種類の繊維強化プラスチックで形成されている。本実施の形態では、複数のスキン層は、シアネートエステル樹脂と繊維素材とを含有する第1の繊維強化プラスチック層16と、エポキシ樹脂と繊維素材とを含有する第2の繊維強化プラスチック層20とを備える。
第1の繊維強化プラスチック層16および第2の繊維強化プラスチック層20はそれぞれ、繊維強化プラスチックのプリプレグ14,18を単数または複数枚積層して形成されている。図1の例では、第1の繊維強化プラスチック層16および第2の繊維強化プラスチック層20は、それぞれ3枚のプリプレグ14,18を積層して形成されている。
レドーム10を構成する積層体は、積層体の一方の表面側から順に、第1の繊維強化プラスチック層16、第2の繊維強化プラスチック層20、コア材12、第2の繊維強化プラスチック層20、第1の繊維強化プラスチック層16の順に積層され、厚さ方向に対称な構造を有する。すなわち、レドーム10を構成する積層体において、コア材12の表面と接する位置には、第2の繊維強化プラスチック層が配置されている。
より詳細には、第1の繊維強化プラスチック層16、第2の繊維強化プラスチック層20およびコア材12がそれぞれ第1の面および第2の面(おもて面および裏面)を有するものとすると、積層体の中心にコア材12が配置され、コア材12の第1の面および第2の面にそれぞれ第2の繊維強化プラスチック層20の第1の面が接するように配置される。また、第2の繊維強化プラスチック層20の第2の面には、第1の繊維強化プラスチック層16の第1の面がそれぞれ接するように配置され、第1の繊維強化プラスチック層16の第2の面がレドーム10の外面を形成する。
レドーム10を製造する際には、レドーム10の形状に形成したコア材12の表面(おもて面および裏面)に、第2の繊維強化プラスチック層20となるエポキシ樹脂と繊維素材とを材料としたプリプレグを所望の厚さ分積層し、更にその表面に第1の繊維強化プラスチック層16となるシアネート樹脂と繊維素材とを材料としたプリプレグを所望の厚さ分積層した積層体を形成する。そして、当該積層体に対して熱および圧力を加えて接着および硬化させてレドーム10とする。
低誘電率材料であるシアネートエステル樹脂を含有する第1の繊維強化プラスチック層16を設けることによって、スキン層の誘電率を低くし、電波の透過率を向上させることができる。また、比較的可撓性の高いエポキシ樹脂を含有する第2の繊維強化プラスチック層20をコア材12と接する位置に配置することによって、第2の繊維強化プラスチック層20がコア材12と第1の繊維強化プラスチック層16との間の接着層として機能し、レドーム10の強度(第1の繊維強化プラスチック層16の接着強度)を向上させることができる。
なお、第1の繊維強化プラスチック層16または第2の繊維強化プラスチック層20に含有される繊維素材は、例えばクオーツ繊維、Eガラス繊維、NEガラス繊維などである。クオーツ繊維を用いることによって、当該繊維強化プラスチック層の誘電率を低くしてレドーム10の電波透過性能を向上させることができる。また、Eガラス繊維を用いることによって、比較的安価にレドーム10を作成することができる。また、NEガラス繊維を用いることによってEガラス繊維を用いるよりも当該繊維強化プラスチック層の誘電率を低くしてレドーム10の電波透過性能を向上させることができる。
ここで、第2の繊維強化プラスチック層20の厚さがスキン層全体の厚さ(第1の繊維強化プラスチック層16と第2の繊維強化プラスチック層20の厚さとの和)に占める割合は50%以下とするのが好ましい。
図3は、レドームの電波透過特性を示すグラフであり、縦軸は電波の透過損失(dB)、横軸は周波数(GHz)を示す。
より詳細には図3は、第1の繊維強化プラスチック層16に対応するシアネートエステル樹脂およびクオーツ繊維を含有するプリプレグ(図中「シアネート層」と表記)と、第2の繊維強化プラスチック層20に対応するエポキシ樹脂およびクオーツ繊維を含有するプリプレグ(図中「エポキシ層」と表記)との積層枚数を変えて形成したレドーム10のそれぞれの透過損失を測定した結果を示す。
Aはコア材12に対して片面当たりシアネート5層、エポキシ1層を積層したレドーム10、Bはコア材12に対して片面当たりシアネート4層、エポキシ2層を積層したレドーム10、Cはコア材12に対して片面当たりシアネート3層、エポキシ3層を積層したレドーム10、Dはコア材12に対して片面当たりシアネート6層を積層したレドーム10、Eはコア材12に対して片面当たりエポキシ6層を積層したレドーム10の透過特性を示す。各層の積層順は、6層全て同素材であるD、Eを除き、図2に示したものと同様にコア材12に接するようにエポキシ層を積層し、その上にシアネート層を積層している。
なお、コア材12の厚さは6mm、エポキシおよびシアネートのプリプレグの厚さは共に0.19mmである。
すなわち、これらA~Eは、同じ厚さのレドーム10においてエポキシおよびシアネートの含有割合を変化させたものである。
各レドーム10の透過損失を比較すると、スキン層を全てシアネート層で形成したDの透過損失が最も低く、電波の透過性能が良好である。一方、スキン層を全てエポキシ層で形成したEの透過損失が最も大きく、電波の透過性能が低くなっている。シアネート層とエポキシ層とを設けたものについては、透過損失が低い順にA、B、Cとなり、エポキシ層の割合が多くなるほど透過損失が大きくなっていく。一方で、エポキシ層の割合が最も大きい(50%)Cについても、スキン層を全てシアネート層で形成したDとの透過損失の差は0.01dB程度であり、十分実用的であるといえる。
図4も、レドームの電波透過特性を示すグラフであり、縦軸は電波の透過損失(dB)、横軸は周波数(GHz)を示す。
図4において、Aはコア材12に対して片面当たりシアネート2層、エポキシ1層を積層したレドーム10、Bはコア材12に対して片面当たりシアネート3層を積層したレドーム10、Cはコア材12に対して片面当たりエポキシ3層を積層したレドーム10の透過特性を示す。
なお、図4においても、コア材12の厚さは6mm、エポキシおよびシアネートのプリプレグの厚さは共に0.19mmである。
すなわち、これらA~Cは、同じ厚さのレドーム10においてエポキシおよびシアネートの含有割合を変化させたものである。
各レドーム10の透過損失を比較すると、スキン層を全てシアネート層で形成したBの透過損失が最も低く、電波の透過性能が良好である。また、スキン層を全てエポキシ層で形成したCの透過損失が最も高く、電波の透過性能は劣っている。一方、シアネート2層、エポキシ1層のAは、Bより透過損失が大きいもののCと比較して良好な透過性能を保っている。
このように、エポキシ層を設けることによってコア材12とスキン層との間の接着力は向上するものの、スキン層におけるエポキシ層の割合が多くなるほどレドーム10の透過性能が悪化することになる。よって、スキン層におけるエポキシ層の厚さが、低誘電率層であるシアネート層の厚さを上回らない程度にするのが好ましい。すなわち、エポキシ層である第2の繊維強化プラスチック層20の厚さがスキン層全体の厚さに占める割合を50%以下とするのが好ましい。
また、レドーム10の厚さは、レドーム10に要求される電波透過性能によって決定される。具体的には、レドーム10のスキン層の厚さ(シアネート層である第1の繊維強化プラスチック層16の厚さとエポキシ層である第2の繊維強化プラスチック層20の厚さとの和)を、レドーム10に要求される透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下とする必要がある。
よって、本実施の形態では、スキン層の厚さ(シアネート層である第1の繊維強化プラスチック層16の厚さとエポキシ層である第2の繊維強化プラスチック層20の厚さとの和)を、レドーム10に要求される透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下とする。
すなわち、スキン層は、コア材12の両面(おもて面および裏面)に配置され、それぞれの表面に配置されるスキン層の厚さはそれぞれ、レドーム10の透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下とする。
図5は、コア材にスキン層を積層した積層体のピール試験結果を示す表である。
ピール試験は、米国試験材料協会(American Society for Testing and Materials)の規格(ASTM D1781)に沿って、以下のように行った。
まず、図6に示すような供試品30を形成した。
供試品30は、コア材32と、コア材32の一方の表面(試験面)に積層された第1のスキン層34と、コア材32の他方の表面(非試験面)に積層された第2のスキン層36とを備えた積層体である。
コア材32は、ポリエーテルスルホン(PES)の発泡体で形成されている。第1のスキン層34および第2のスキン層36は、エポキシ樹脂とクオーツ繊維とを含有するプリプレグで形成されている。供試品30は、コア材32のおもて面および裏面にそれぞれスキン層34、36となるプリプレグを積層し、熱および圧力を加えて硬化させた後、当該積層体を所望の大きさに切断(本実施の形態では幅方向に切断)することによって形成される。なお本試験は、コア材とエポキシ層との間の接着強度を測定することを目的としているため、シアネート層の積層は省略した。
コア材32の厚さは6mm、第1のスキン層34の厚さは1.9mm、第2のスキン層36の厚さは0.38mmである。また、コア材32の長手方向(図6中矢印L方向)の長さは255.0mm、幅方向(図6中矢印W方向)の長さは約76.2mm(後述するように0.1mm未満のバラつきがある)であり、第2のスキン層36もコア材32と同じ大きさに形成されている。一方、第1のスキン層34の幅方向の長さはコア材32と同じ約76.2mmであるが、長手方向の長さは305.0mmであり、コア材32の長手方向の両端から張り出す余剰部38が形成されている。余剰部38は、後述する試験装置40(図7参照)のドラム部42に挟持され、第1のスキン層34をコア材32から剥離するために形成されている。
図5に示すように、本実施の形態では4枚の供試品30(供試品1~4)を作成した。それぞれの供試品30の幅は、供試品1が76.21mm、供試品2が76.22mm、供試品3が76.26mm、供試品4が76.26mmであり、平均値は76.24mm、標準偏差は0.02であった。
つぎに、供試品30を試験装置にセットし、測定パラメータを適宜設定した上で測定を行う。
図7に試験装置40の構成を示す。試験装置40は、ドラム部42と、固定部44とを備える。ドラム部42と固定部44とは、図示しないフレームに支持されており、測定開始時には所定距離離れた位置に配置される。ドラム部42は、円筒形状を呈し、図示しない駆動機構によって軸Oを中心に回転すると同時に固定部44に近づくように直線移動される。ドラム部42は、その外周面に円筒の軸方向に沿った抑え板420を備える。抑え板420は、供試品30の一方の余剰部38を挟持する。固定部44は、測定中は移動不能に固定されるとともに、供試品30の他方の余剰部38側を挟持する。
ドラム部42が第1のスキン層34を挟持しながら回転し、固定部44方向に移動することによって、第1のスキン層34がコア材32から剥離される。試験装置40は、この時ドラム部42等にかかる荷重を測定して供試品30のピール強度を算出する。
具体的には、下記式(1)を用いてピール強度Tを算出する。
下記式(1)において、Tはピール強度(kg・cm/7.62cm)、Rはトルクアーム長さ(R=R0-Ri=12.7(mm)、R0:ドラム部42にばね鋼が固定される外側フランジ半径、Ri:ピールされる第1のスキン層34が巻き付く内側ドラム半径)、Fpは供試品30の剥離長さ25.4mm~152.4mmまでの平均ピール荷重(kg)、F0は第1のスキン層34の剥離長さ25.4mm~152.4mmまでの平均ピール荷重(kg)、Wは供試品30の幅(mm)である。Fpはドラム部42の質量を加味した荷重であり、F0で接着していない供試品の荷重を取得して、FpからF0を差し引くことによってドラム部42の質量の影響のない値にしている。
なお、本実施の形態では、ドラム部42の移動速度であるクロスヘッドスピード(引き上げ速度)を25.4±0.25mm/minに設定した。
T=[R×(Fp-F0)]÷W ・・・(1)
図5に示すように、供試品1~4のピール荷重(N/m)はそれぞれ、31592、32577、34298、35956であり、平均値は33606(標準偏差1924)となり、十分な強度を有していることがわかる。
なお、比較例としてシアネート樹脂とクオーツ繊維とを含有するプリプレグ(以下「シアネート樹脂プリプレグ」という)をコア材に積層した積層体のピール試験を行うことも考えられるが、シアネート樹脂プリプレグを用いた積層体では手ではがせる程度の接着力しかなく、図7に示すような装置を用いた試験では適切な結果が得られないため行っていない。
以上説明したように、実施の形態にかかるレドーム10によれば、スキン層にシアネートエステル樹脂を主成分とする第1の繊維強化プラスチック層16を用いるとともに、コア材12の表面と接する位置にはエポキシ樹脂を主成分とする第2の繊維強化プラスチック層20を配置した。これにより、第2の繊維強化プラスチック層20が、コア材12と第1の繊維強化プラスチック層16とを接着する接着層として機能し、レドーム10の電波透過性能とレドームの強度とを両立する上で有利となる。
また、レドーム10によれば、第2の繊維強化プラスチック層20の厚さがスキン層全体の厚さ(第1の繊維強化プラスチック層16の厚さと第2の繊維強化プラスチック層20の厚さとの和)に占める割合を50%以下とした。これにより、第1の繊維強化プラスチック層16と比較して誘電率が高い第2の繊維強化プラスチック層20を配置することによる電波透過性能の低下を一定範囲に抑えることができる。
また、レドーム10によれば、スキン層の厚さがレドーム10の透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下なので、レドーム10の電波透過性能を良好に保つことができる。
また、レドーム10において、第1の繊維強化プラスチック層16が含有する繊維素材を誘電率の低いクオーツ繊維とすれば、第1の繊維強化プラスチック層16の誘電率を低くしてレドーム10の電波透過性能を向上させることができる。
また、レドーム10において、第1の繊維強化プラスチック層16が含有する繊維素材をEガラス繊維とすれば、比較的安価にレドーム10を作成することができる。
また、レドーム10において、第1の繊維強化プラスチック層16が含有する繊維素材がNEガラス繊維とすれば、Eガラス繊維を用いる場合と比較して第1の繊維強化プラスチック層16の誘電率を低くしてレドーム10の電波透過性能を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、複数のスキン層が第1の繊維強化プラスチック層16および第2の繊維強化プラスチック層20であるものとしたが、これに限らず、3種類以上の繊維強化プラスチック層を設けてもよい。その場合、エポキシ樹脂と繊維素材とを含有する繊維強化プラスチック層(本実施の形態における第2の繊維強化プラスチック層20)をコア材12と接する位置に配置し、これに対して他の繊維強化プラスチック層を積層する。
10 レドーム
12 コア材
14,18 プリプレグ
16 第1の繊維強化プラスチック層
20 第2の繊維強化プラスチック層
30 供試品
32 コア材
34 第1のスキン層
36 第2のスキン層
38 余剰部
40 試験装置
42 ドラム部
44 固定部

Claims (6)

  1. コア材の表面に複数のスキン層を積層した積層体で形成されたレドームであって、
    前記スキン層は、シアネートエステル樹脂と繊維素材とを含有する第1の繊維強化プラスチック層と、エポキシ樹脂と繊維素材とを含有する第2の繊維強化プラスチック層とを備え、
    前記コア材の表面と接する位置には、前記第2の繊維強化プラスチック層が配置されている、
    ことを特徴とするレドーム。
  2. 前記第2の繊維強化プラスチック層の厚さが前記スキン層全体の厚さに占める割合が50%以下である、
    ことを特徴とする請求項1記載のレドーム。
  3. 前記スキン層は、前記コア材の両面に配置され、
    それぞれの表面に配置される前記スキン層の厚さはそれぞれ、前記レドームの透過周波数帯の中心周波数における自由空間波長の1/4以下である、
    ことを特徴とする請求項1または2記載のレドーム。
  4. 前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、クオーツ繊維である、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のレドーム。
  5. 前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、Eガラス繊維である、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のレドーム。
  6. 前記第1の繊維強化プラスチック層が含有する繊維素材は、NEガラス繊維である、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のレドーム。
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