JP7456371B2 - 飛しょう体用レドーム、飛しょう体用レドームの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、飛しょう体用レドームに関する。特に、翼などが設けられて非軸対称となる、非軸対称形状の飛しょう体用レドームに関する。
目標に向けて飛しょうする飛しょう体には、目標までの距離及び方位を計測するアンテナなどの電子機器が搭載されており、電子機器を飛しょう時の空力から保護するために、飛しょう体の先端にはレドームが設置されている（例えば、特許文献１参照）。
飛しょう体は、飛しょう開始から数秒間という短い時間で超音速又は極超音速に達するものが多く、飛しょう時に空気との摩擦によって急激な加熱を受け、機体が高温に晒される。飛しょう時の空気との摩擦による加熱は、空力加熱と称されている。特に、飛しょう体の先端部分に設置されるレドームは、飛しょう体の部位の中で熱的環境が厳しい部位の一つであり、大きな空力荷重と大きな空力加熱、熱衝撃を受け、空力加熱によって１０００℃程度まで加熱される。したがって、レドーム本体は、強度が高く、耐熱性及び耐熱衝撃性が求められることから、耐熱温度１０００℃以上の誘電体材料であるセラミック（例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）、ヒューズドシリカ（ＳｉＯ2）、シリコンナイトライド（Ｓｉ3Ｎ4））を材料とすることが一般的である（例えば、特許文献２、３参照）。
さらに、飛しょう体の先端部にあるレドームは、空力抵抗を減らし、高速で飛しょうできるように、前方が尖った円錐形状（例えば、Cone形状、Ogive形状、Von Karman形状）が一般的である（例えば、特許文献４参照）。
一方で、長い距離を超音速で滑空するような飛しょう体においては、レドームを含む先端部に滑空機能を付加させるため、揚力を得るための翼等が付いた形状（以降、非軸対称形状と称す）が想定されている。
従来、飛しょう体用レドームの成形方法として、冷間等方圧加圧法（CIP（Cold Isostatic Pressing）法）が知られている。これは、粉末材料をゴム型に充填・密封した上で液圧を加えることで、ゴム型に一定の外圧が掛かり、中に入れた粉末材料を押し固めるという成形方法である。
従来の円錐形状のレドームの場合は、内形状を模した金属のマンドレルの上にゴム型を被せることで、内側がくり抜かれた円錐形状（以降、軸対称形状と称す）を形作る。当該成形方法によれば、ゴム型に一定の外圧が掛かることから押し固められた粉末材料の密度が均一で、歪みの少ないレドームを製造することができる。一方、当該成形方法は、減圧時にゴム型が元に戻ろうとする力（スプリングバック）により損傷することが多く、成形品の肉厚が一定ではないものや、応力が集中する、例えば角部があるような複雑形状には向いていないとされている。
従来の円錐形状のレドームの場合は、内形状を模した金属のマンドレルの上にゴム型を被せることで、内側がくり抜かれた円錐形状（以降、軸対称形状と称す）を形作る。当該成形方法によれば、ゴム型に一定の外圧が掛かることから押し固められた粉末材料の密度が均一で、歪みの少ないレドームを製造することができる。一方、当該成形方法は、減圧時にゴム型が元に戻ろうとする力（スプリングバック）により損傷することが多く、成形品の肉厚が一定ではないものや、応力が集中する、例えば角部があるような複雑形状には向いていないとされている。
非軸対称形状のレドームの場合、強度が必要な翼の部分と、搭載するアンテナの周波数帯域により厚さが決まる電波透過部とでは肉厚が異なるため、成形時に肉厚の薄い部分で損傷する可能性が高い。さらに、翼と電波透過部が繋がる角部に応力が集中することから、成形時に損傷する可能性が高く、歩留りが極端に低くなるといった問題点があった。
本発明は係る課題を解決するためになされたもので、非軸対称形状の飛しょう体用レドーム、および非軸対称形状の飛しょう体用レドームを歩留り良く製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
この発明に係る飛しょう体用レドームは、飛しょう体の先端部に設けられるレドームであって、翼を備え、頂点を含む面で切断した半円錐形状の部分と、前記切断した面と接合する板状の部分とからなり、前記板状の部分が前記翼の部分であることを特徴とする。
本発明によれば、非軸対称形状の飛しょう体用レドームのような複雑な形状の製品を、製造することができる。更に、成形時に発生する損傷を抑えることで、製品の完成歩留りを向上させることができる。
以下に、本発明の実施の形態に係る非軸対称形状の飛しょう体用レドームの製造方法を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非軸対称形状の飛しょう体用レドームを含む飛しょう体１００の構成を示す図である。図１（ａ）は進行方向の正面からみた正面図、図２（ｂ）は側方からみた側面図である。図１において、飛しょう体１００は、高高度まで飛しょうするためのロケットモータ１、その後、ロケットモータ１から分離され、超音速で滑空する先端部２で構成されている。なお、ここでは本発明の要旨とする点を除いて不必要なものは省略している。
図１は、実施の形態１に係る非軸対称形状の飛しょう体用レドームを含む飛しょう体１００の構成を示す図である。図１（ａ）は進行方向の正面からみた正面図、図２（ｂ）は側方からみた側面図である。図１において、飛しょう体１００は、高高度まで飛しょうするためのロケットモータ１、その後、ロケットモータ１から分離され、超音速で滑空する先端部２で構成されている。なお、ここでは本発明の要旨とする点を除いて不必要なものは省略している。
図２は、実施の形態１に係る非軸対称形状の飛しょう体用のレドーム２００を示す図である。レドーム２００は、先端部２の先に設置されている。図２（ａ）は進行方向の前方からみた斜視図、図２（ｂ）はその後方からみた斜視図である。
図２において、飛しょう体用レドーム２００は、滑空時の揚力を得るための翼３と、アンテナを搭載する半円錐部４で構成されている。角部５は翼３と半円錐部４が合わさり、繋がるところにできた角部である。半円錐部４の内側は空間である。翼３は飛しょう体用レドーム２００の進行方向正面側からみて放射状に広がっており、半円錐部４の円弧に対して略垂直となる方向に伸びている。図２では、翼３は半円錐部４を真ん中において左右の２方向に広がり、左右２方向に広がった翼３は、半円錐部４の前方の３ａで示した箇所で接合して、１枚の翼を形成している。このように図２の翼３は、飛しょう体用レドーム２００の進行方向の正面側からみて、非軸対象の配置となっている。このようにレドームを含む先端部に滑空機能を付加させるため、揚力を得るための非軸対象な翼等が付いた形状を備えるレドームを、非軸対象形状のレドームと呼ぶ。
図２において、飛しょう体用レドーム２００は、滑空時の揚力を得るための翼３と、アンテナを搭載する半円錐部４で構成されている。角部５は翼３と半円錐部４が合わさり、繋がるところにできた角部である。半円錐部４の内側は空間である。翼３は飛しょう体用レドーム２００の進行方向正面側からみて放射状に広がっており、半円錐部４の円弧に対して略垂直となる方向に伸びている。図２では、翼３は半円錐部４を真ん中において左右の２方向に広がり、左右２方向に広がった翼３は、半円錐部４の前方の３ａで示した箇所で接合して、１枚の翼を形成している。このように図２の翼３は、飛しょう体用レドーム２００の進行方向の正面側からみて、非軸対象の配置となっている。このようにレドームを含む先端部に滑空機能を付加させるため、揚力を得るための非軸対象な翼等が付いた形状を備えるレドームを、非軸対象形状のレドームと呼ぶ。
ここで、翼３は滑空時の揚力が掛かる部位であり、強度が必要となるため必然的に肉厚が厚くなる。一方、半円錐部４は、搭載するアンテナの周波数帯域により、良好な電波特性を満足する肉厚が一意に決まる。このため、翼３と半円錐部４とでは肉厚が異なり、一般に翼３の肉厚が薄くなる。このため、異なる肉厚のまま翼３と半円錐部４を冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ法）にて一体で成形した場合、肉厚が薄い部分で損傷する可能性が高い。さらに、翼３と半円錐部４が繋がる角部５は、形状が急激に変化する箇所であり、ＣＩＰ法による液圧付加時に十分に圧力が掛からないという課題があり、また、スプリングバックによって応力が集中してしまう等の影響により損傷する可能性が高い。
図３は、実施の形態１に係る非軸対称形状の飛しょう体用レドームの製造方法を説明する図である。
図３での左側の２つの部品は、ＣＩＰ法による成形後の成形品である半円錐成形体６ａ、同じくＣＩＰ法による成形後の成形品である翼成形体７aである。右側の２つの部品は、半円錐成形体６ａ、翼成形体７aをそれぞれ機械加工した後の加工形状を示す図である。
上述のとおり、翼３と半円錐部４とを一体で成形すると損傷する可能性が高い。このため、本実施の形態においては、成形時は、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａに分け、各々を簡易な形状で成形することとする。つまり、半円錐成形体６ａは中心内部をくり抜いた円錐形状を円錐の頂点を含む面で２つに分割した一方の形体であり、翼成形体７ａは中央部分が盛り上がった板状の形体であるため、これらの形状は簡易に形成することができる。
このように各々を簡易な形状で成形することにより、角部が無く、一定肉厚に近い形状で成形することができ、結果として成形時の損傷確率が低減され、歩留りが向上する。
図３での左側の２つの部品は、ＣＩＰ法による成形後の成形品である半円錐成形体６ａ、同じくＣＩＰ法による成形後の成形品である翼成形体７aである。右側の２つの部品は、半円錐成形体６ａ、翼成形体７aをそれぞれ機械加工した後の加工形状を示す図である。
上述のとおり、翼３と半円錐部４とを一体で成形すると損傷する可能性が高い。このため、本実施の形態においては、成形時は、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａに分け、各々を簡易な形状で成形することとする。つまり、半円錐成形体６ａは中心内部をくり抜いた円錐形状を円錐の頂点を含む面で２つに分割した一方の形体であり、翼成形体７ａは中央部分が盛り上がった板状の形体であるため、これらの形状は簡易に形成することができる。
このように各々を簡易な形状で成形することにより、角部が無く、一定肉厚に近い形状で成形することができ、結果として成形時の損傷確率が低減され、歩留りが向上する。
次に、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａが所望の形状となるように機械加工を施す。
図３の右側２つの部品は、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａを機械加工した後の半円錐加工体６ｂ、翼加工体７ｂの形状を表した図である。半円錐加工体６ｂにおいては、電波透過に合わせた肉厚となるように機械加工を行う。また、翼加工体７ｂにおいては、板の中央部分の半円錐加工体６ｂを接合する部分は平坦となるように平坦加工し、板の左右の領域は所望の滑空特性が得られる形状に加工する。
このように、成形品である半円錐成形体６ａと翼成形体７ａの各々を、機械加工によって半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの所望の形状に加工する。
図３の右側２つの部品は、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａを機械加工した後の半円錐加工体６ｂ、翼加工体７ｂの形状を表した図である。半円錐加工体６ｂにおいては、電波透過に合わせた肉厚となるように機械加工を行う。また、翼加工体７ｂにおいては、板の中央部分の半円錐加工体６ｂを接合する部分は平坦となるように平坦加工し、板の左右の領域は所望の滑空特性が得られる形状に加工する。
このように、成形品である半円錐成形体６ａと翼成形体７ａの各々を、機械加工によって半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの所望の形状に加工する。
このとき、前述のとおり翼加工体７ｂは滑空時の揚力が掛かる部位で強度が必要なため、肉厚が厚くなり、一方、半円錐加工体６ｂは良好な電波特性を満足する肉厚が一意に決まるため、翼加工体７ｂと半円錐加工体６ｂに求められる肉厚は異なる。しかしながら本実施の形態においては、半円錐成形体６ａと翼成形体７ａを別々に成型し、その後に機械加工をしていることから、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂを、容易に異なる肉厚で形成することが可能である。
また、一般にグリーン体と称される粉末成形体は、焼結後のセラミックよりも柔らかく機械加工が容易である。このため、所望の形状に加工し易いという利点もある。
また、一般にグリーン体と称される粉末成形体は、焼結後のセラミックよりも柔らかく機械加工が容易である。このため、所望の形状に加工し易いという利点もある。
なお、図２、図３において半円錐成形体６ａと翼成形体７ａは、材料のムダを省く目的で、機械加工で除去する部分が極力少なくなるような形状としているが、材料費よりも冷間等方圧加圧装置の稼働費や作業工数が高くなる場合は、直方体などの、半円錐成形体６や翼成形体７よりもさらに簡易な形状から、機械加工によって半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂを製造しても良い。
また、本実施の形態のような工程を行わずに、直方体等の成形体から直接、機械加工によってレドーム２００の形状を加工することも考えられるが、レドーム２００が大型な場合は、半円錐部４の内面を加工する際に機械加工の刃物が先端まで届かないという問題、また、届いたとしてもいわゆるびびりによる振動が起きてしまうといった問題があるため、きわめて加工が難しい。
本実施の形態の説明に戻り、次に、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂを接合する。
図４は、実施の形態１に係る半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの接合方法を説明する図である。
この接合の工程では、半円錐加工体６ｂの上に乗せてプレスの力を均一に加えるプレス上型１０、半円錐加工体６ｂの半円錐形状の内側に入れるマンドレル１１、翼加工体７ｂを乗せるプレス下型１２から構成される治工具類を使用する。
図４は、実施の形態１に係る半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの接合方法を説明する図である。
この接合の工程では、半円錐加工体６ｂの上に乗せてプレスの力を均一に加えるプレス上型１０、半円錐加工体６ｂの半円錐形状の内側に入れるマンドレル１１、翼加工体７ｂを乗せるプレス下型１２から構成される治工具類を使用する。
まず、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの各々を、前述の治工具類であるプレス上型１０、マンドレル１１、プレス下型１２にセットする。このとき、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂが接合する接合部分には、粉末材料を充填する。
ここで粉末材料は、ＣＩＰ法で半円錐成形体６ａと翼成形体７ａの各々を形成する際に使用する粉末材料と同一の材料を使用する。
粉末材料の充填は、平坦加工をした翼加工体７ｂの平坦部に粉末材料を塗布した後に、マンドレル１１、半円錐加工体６ｂを上方から設置する。
その後、プレスにより圧力Ｐを加えることで、充填した粉末材料が圧粉され、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂが接合される。
ここで粉末材料は、ＣＩＰ法で半円錐成形体６ａと翼成形体７ａの各々を形成する際に使用する粉末材料と同一の材料を使用する。
粉末材料の充填は、平坦加工をした翼加工体７ｂの平坦部に粉末材料を塗布した後に、マンドレル１１、半円錐加工体６ｂを上方から設置する。
その後、プレスにより圧力Ｐを加えることで、充填した粉末材料が圧粉され、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂが接合される。
このように、本実施の形態に係る飛しょう体用レドームの製造方法によれば、電波透過の設計によって定まる所望の厚さを有する半円錐加工体６ｂと、この半円錐加工体６ｂと接合される板状の翼加工体７ｂとは、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂとの間に充填され、圧力を加えられて圧紛された粉末材料により接合される。
半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂの接合に使用される粉末材料は、ＣＩＰ法で半円錐成形体６ａと翼成形体７ａの各々を形成する際に使用する粉末材料と同一の材料であることから、１０００℃程度の温度であっても耐熱性の問題は生じない。従来、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂとを接着剤で接着する場合に、１０００℃程度の耐熱性を満足する接着剤がないという課題を解決し、耐熱性の点で優れた接合方法を提供することができる。
また、本実施の形態に係る半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂは、ＣＩＰ法で形成していることから、形成された半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂに内在する歪みを小さく抑えることができる。
また、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂは、焼成前の成形体である半円錐成形体６ａと翼成形体７ａを加工することから、焼成後の材料に比べて柔らかく、所望の形状に加工し易いという効果を奏する。
また、本実施の形態に係る半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂは、ＣＩＰ法で形成していることから、形成された半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂに内在する歪みを小さく抑えることができる。
また、半円錐加工体６ｂと翼加工体７ｂは、焼成前の成形体である半円錐成形体６ａと翼成形体７ａを加工することから、焼成後の材料に比べて柔らかく、所望の形状に加工し易いという効果を奏する。
以上のように実施の形態１で示した方法は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
ここで、上述の治工具はプレスを使用することを前提としていたが、冷間等方圧加圧法を用いて成形体同士を接合しても良い。
１ ロケットモータ、２ 先端部、３ 翼、４ 半円錐部、５ 角部、６ａ 半円錐成形体、７ａ 翼成形体、６ｂ 半円錐加工体、７ｂ 翼加工体、１０ プレス上型、１１ マンドレル、１２ プレス下型、１００ 飛しょう体、２００ レドーム、Ｐ プレス圧力
Claims (3)
- 飛しょう体の先端部に設けられるレドームであって、翼を備え、
頂点を含む面で切断した半円錐形状の部分と、前記切断した面と接合する板状の部分とからなり、前記板状の部分が前記翼の部分であることを特徴とする飛しょう体用レドーム。 - 飛しょう体の先端部に設けられるレドームであって、翼を備え、
前記先端部が飛しょう体から分離された後に、前記翼により発生した揚力により前記先端部が滑空し、
頂点を含む面で切断した半円錐形状の部分と、前記切断した面と接合する板状の部分とからなり、前記板状の部分が前記翼の部分であることを特徴とする飛しょう体用レドーム。 - 飛しょう体の先端部に設けられる翼を備えた飛しょう体用レドームの製造方法であって、
冷間等方圧加圧法により成形した半円錐形状の成形品と、同じく冷間等方圧加圧法により成形した板状の成形品とを所望の形状に機械加工した後、前記半円錐形状の成形品と前記板状の成形品を成形する際に使用した粉末材料を、前記半円錐形状の成形品と前記板状の成形品の間に充填し、その後に、プレスにより圧力を加えて接合することを特徴とする飛しょう体用レドームの製造方法。
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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