JP2651386B2 - 宇宙機器の熱防護構造 - Google Patents
宇宙機器の熱防護構造Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，特に宇宙往還機に好適な宇宙機器の熱防護
構造に関する。
構造に関する。
宇宙往還機が大気圏に再突入する際の空力加熱による
高温から機体を護るための熱防護システムとして，米国
のスペースシャトルでは，ノーズキャプや翼前縁部など
の特に高温になる部分を除いて，シリカ系タイルが使用
されている。しかし，このシリカ系タイルは強度が弱く
使用に際して損傷や欠落が問題となっており，また耐熱
温度は1280℃と低く，より高温で使用できる高強度の熱
防護システムの開発が待たれている。そのため，軽量か
つ高強度であり熱衝撃に強く耐熱性に優れた炭素繊維強
化炭素複合材を最外層に配した熱防護システムが提案さ
れている。しかし，炭素繊維強化炭素複合材はすべて炭
素で構成されているため，酸化され易く酸素含有雰囲気
中での長期間の使用は500〜600℃までに限られる。
高温から機体を護るための熱防護システムとして，米国
のスペースシャトルでは，ノーズキャプや翼前縁部など
の特に高温になる部分を除いて，シリカ系タイルが使用
されている。しかし，このシリカ系タイルは強度が弱く
使用に際して損傷や欠落が問題となっており，また耐熱
温度は1280℃と低く，より高温で使用できる高強度の熱
防護システムの開発が待たれている。そのため，軽量か
つ高強度であり熱衝撃に強く耐熱性に優れた炭素繊維強
化炭素複合材を最外層に配した熱防護システムが提案さ
れている。しかし，炭素繊維強化炭素複合材はすべて炭
素で構成されているため，酸化され易く酸素含有雰囲気
中での長期間の使用は500〜600℃までに限られる。
炭素繊維強化炭素複合材の耐酸化性を向上させる為
に，いくつかの努力が払われている。その一つの例とし
て，燐酸系または酸化ほう素系のガラスを含浸する方法
がある。これは，含浸されたガラスが高温下の使用中に
溶融し，炭素質材の外部表面または内部表面とを覆い炭
素材料の強化を防ぐものである。また，炭素繊維強化炭
素複合材のマトリックス中に，耐酸化性物質（例えば,T
i,Si,B,W,Ta,Al）を炭化物あるいは有機物や元素の状態
で，分散させる方法が提案されている。さらには，気相
化学反応沈積法（以下CVD法と略す。）で得られるち密
な炭化珪素や窒化珪素の膜での炭素繊維強化炭素複合材
の外表面を被覆する方法がある。また，アルミナと炭化
珪素と金属珪素との混合粉体中に炭素材料を埋没させて
加熱するパック法や珪素含有物と炭素質基材とを直接反
応させる方法などで，炭素繊維強化炭素複合材の表面に
炭化珪素を生成させる方法なども提案されている。
に，いくつかの努力が払われている。その一つの例とし
て，燐酸系または酸化ほう素系のガラスを含浸する方法
がある。これは，含浸されたガラスが高温下の使用中に
溶融し，炭素質材の外部表面または内部表面とを覆い炭
素材料の強化を防ぐものである。また，炭素繊維強化炭
素複合材のマトリックス中に，耐酸化性物質（例えば,T
i,Si,B,W,Ta,Al）を炭化物あるいは有機物や元素の状態
で，分散させる方法が提案されている。さらには，気相
化学反応沈積法（以下CVD法と略す。）で得られるち密
な炭化珪素や窒化珪素の膜での炭素繊維強化炭素複合材
の外表面を被覆する方法がある。また，アルミナと炭化
珪素と金属珪素との混合粉体中に炭素材料を埋没させて
加熱するパック法や珪素含有物と炭素質基材とを直接反
応させる方法などで，炭素繊維強化炭素複合材の表面に
炭化珪素を生成させる方法なども提案されている。
しかしながらかかる従来の技術では，下記のような問
題点がある。すなわち，燐酸や酸化ほう素系のガラスを
含浸する方法では,1000℃程度以上になると，ガラスの
蒸発が著しく有効な保護膜になりえない。たとえ他の高
融点のガラスと併用しても，高温での燐酸または酸化ほ
う素系のガラスの蒸発が激しく長い寿命は期待できな
い。またマトリックス中に耐酸化性物質を分散させる方
法においては，十分な耐酸化性をうるために多量の耐酸
化性物質が必要であり，炭素繊維強化炭素複合材の強度
低下や特有の擬延性的性質が失われる等の問題がある。
題点がある。すなわち，燐酸や酸化ほう素系のガラスを
含浸する方法では,1000℃程度以上になると，ガラスの
蒸発が著しく有効な保護膜になりえない。たとえ他の高
融点のガラスと併用しても，高温での燐酸または酸化ほ
う素系のガラスの蒸発が激しく長い寿命は期待できな
い。またマトリックス中に耐酸化性物質を分散させる方
法においては，十分な耐酸化性をうるために多量の耐酸
化性物質が必要であり，炭素繊維強化炭素複合材の強度
低下や特有の擬延性的性質が失われる等の問題がある。
CVD法によって緻密な炭化珪素や窒化珪素の被覆膜を
作る方法では，炭化珪素や窒化珪素の熱膨張係数が3.5
×10-6/゜K程度であるのに対して，炭素繊維強化炭素複
合材の熱膨張係数は−１〜１×10-6/゜Kであり，熱応力
によって緻密な膜にクラックが発生し，ここから酸素が
浸入するため十分な耐酸化性が得られない。そこでクラ
ックを酸化珪素で封溝することが試みられたが，酸化珪
素の溶融温度が1750℃と高いために，酸化珪素の溶融温
度以下で酸素の浸入が防げず十分な結果が得られていな
い。さらにCVD法による膜は基材と物理的に接合してい
るだけなので，熱衝撃などで剥がれ易く信頼性に欠け
る。また，パック法や珪素含有物と炭素材料を直接反応
させて作られる炭化珪素の膜は，緻密性に欠け有効な酸
素拡散防止膜にならない。
作る方法では，炭化珪素や窒化珪素の熱膨張係数が3.5
×10-6/゜K程度であるのに対して，炭素繊維強化炭素複
合材の熱膨張係数は−１〜１×10-6/゜Kであり，熱応力
によって緻密な膜にクラックが発生し，ここから酸素が
浸入するため十分な耐酸化性が得られない。そこでクラ
ックを酸化珪素で封溝することが試みられたが，酸化珪
素の溶融温度が1750℃と高いために，酸化珪素の溶融温
度以下で酸素の浸入が防げず十分な結果が得られていな
い。さらにCVD法による膜は基材と物理的に接合してい
るだけなので，熱衝撃などで剥がれ易く信頼性に欠け
る。また，パック法や珪素含有物と炭素材料を直接反応
させて作られる炭化珪素の膜は，緻密性に欠け有効な酸
素拡散防止膜にならない。
そこで本発明者等は，これらの問題を解決すべく鋭意
検討した結果，特定の化合物で処理した特定形状の炭化
珪素被覆膜を炭素繊維強化炭素複合材の外表面に設ける
ことにより，上記の問題点が解決できることを見い出し
本発明に至った。すなわち本発明の目的は，宇宙往還機
などの宇宙機器が大気圏に再突入するに際して好適な宇
宙機器の熱防護構造を提供することにある。
検討した結果，特定の化合物で処理した特定形状の炭化
珪素被覆膜を炭素繊維強化炭素複合材の外表面に設ける
ことにより，上記の問題点が解決できることを見い出し
本発明に至った。すなわち本発明の目的は，宇宙往還機
などの宇宙機器が大気圏に再突入するに際して好適な宇
宙機器の熱防護構造を提供することにある。
そしてかかる目的は，宇宙機器の本体外表面上に被着
された断熱材層と，その周縁部が段状に形成され段部が
相互に勘合して前記断熱材層上に設けられた熱防護部材
であって表面が凹凸処理された炭素繊維強化炭素複合材
の外表面に炭化珪素被覆膜が形成され，かつ該炭化珪素
被覆膜と炭化繊維強化炭素複合材との間に炭素繊維強化
複合材の炭素と反応して得られる炭化珪素層を有し更に
炭化珪素被覆膜が酸化ほう素と酸化珪素の混合物で封孔
処理された熱防護部材と，一側が前記熱防護部材に固定
され断熱材層を間装しながら他側が宇宙機器本体に固定
されて熱防護部材及び断熱材層を宇宙機器本体に固定す
る締結部材とを有する宇宙機器の熱防護構造とすること
により達成される。
された断熱材層と，その周縁部が段状に形成され段部が
相互に勘合して前記断熱材層上に設けられた熱防護部材
であって表面が凹凸処理された炭素繊維強化炭素複合材
の外表面に炭化珪素被覆膜が形成され，かつ該炭化珪素
被覆膜と炭化繊維強化炭素複合材との間に炭素繊維強化
複合材の炭素と反応して得られる炭化珪素層を有し更に
炭化珪素被覆膜が酸化ほう素と酸化珪素の混合物で封孔
処理された熱防護部材と，一側が前記熱防護部材に固定
され断熱材層を間装しながら他側が宇宙機器本体に固定
されて熱防護部材及び断熱材層を宇宙機器本体に固定す
る締結部材とを有する宇宙機器の熱防護構造とすること
により達成される。
以下に本発明について説明する。本発明は，宇宙機器
本体上の断熱材層と，断熱材層の外側にあっては締結部
材により宇宙機器の本体に固着される熱防護部材とを具
備している。この熱防護部材は大気圏再突入の際の急激
な空気加熱に耐え，内部の断熱材層を保護するので，更
に断熱材層にくるまれた宇宙機器本体を適切な温度に保
つことができる。
本体上の断熱材層と，断熱材層の外側にあっては締結部
材により宇宙機器の本体に固着される熱防護部材とを具
備している。この熱防護部材は大気圏再突入の際の急激
な空気加熱に耐え，内部の断熱材層を保護するので，更
に断熱材層にくるまれた宇宙機器本体を適切な温度に保
つことができる。
以下に熱防護部材について詳細に説明する。
本発明における炭素繊維強化炭素複合材は，炭素繊維
を補強材としマトリックスに炭素を用いた複合材であれ
ば，特に限定されるものではない。例えば，炭素繊維
（黒鉛化繊維を含む）をフェノール樹脂などの熱硬化性
樹脂やピッチを用いて成形し，炭化あるいは黒鉛化して
作られる。また，熱硬化性樹脂あるいはピッチ等で含浸
と炭化または黒鉛化を繰返すか，熱分解炭素を沈積させ
ることによって緻密化処理した炭素繊維強化炭素複合材
でも良い。また，使用される炭素繊維としては，ポリア
クリロニトリル系炭素繊維，ピッチ系炭素繊維やレイヨ
ン系炭素繊維などの一般に炭素繊維と言われる繊維もし
くは，その前駆体が用いられる。炭素繊維の補強形態と
しては特に限定されるものではなくクロス積層や三次元
織物や短繊維状などいずれの形態でも良い。
を補強材としマトリックスに炭素を用いた複合材であれ
ば，特に限定されるものではない。例えば，炭素繊維
（黒鉛化繊維を含む）をフェノール樹脂などの熱硬化性
樹脂やピッチを用いて成形し，炭化あるいは黒鉛化して
作られる。また，熱硬化性樹脂あるいはピッチ等で含浸
と炭化または黒鉛化を繰返すか，熱分解炭素を沈積させ
ることによって緻密化処理した炭素繊維強化炭素複合材
でも良い。また，使用される炭素繊維としては，ポリア
クリロニトリル系炭素繊維，ピッチ系炭素繊維やレイヨ
ン系炭素繊維などの一般に炭素繊維と言われる繊維もし
くは，その前駆体が用いられる。炭素繊維の補強形態と
しては特に限定されるものではなくクロス積層や三次元
織物や短繊維状などいずれの形態でも良い。
本発明ではまず，炭素繊維強化炭素複合材（第２図に
おける４）の表面を凹凸処理する。具体的には，圧縮空
気などで炭化珪素などの硬い粒子を，炭素繊維強化炭素
複合材の表面に吹き付けるなどの方法が使用できる。
おける４）の表面を凹凸処理する。具体的には，圧縮空
気などで炭化珪素などの硬い粒子を，炭素繊維強化炭素
複合材の表面に吹き付けるなどの方法が使用できる。
次に，炭素繊維強化炭素複合材の表面に，炭素繊維強
化炭素複合材の炭素と珪素を反応させて，炭素繊維強化
炭素複合材とよく接着した炭化珪素の下地層（５）をつ
くる。具体的には，金属珪素と反応しない液体，例え
ば，イソプロピルアルコールに，金属珪素粉末を分散さ
せたけん濁液を，炭素繊維強化炭素複合材の表面に塗布
し，液体を蒸発させて，金属珪素粉末を炭素繊維強化炭
素複合材に付着させる。これを不活性雰囲気中で1700〜
2300℃に加熱し，炭素繊維強化炭素複合材の炭素と金属
珪素とを反応させて炭化珪素の下地層をつくる。
化炭素複合材の炭素と珪素を反応させて，炭素繊維強化
炭素複合材とよく接着した炭化珪素の下地層（５）をつ
くる。具体的には，金属珪素と反応しない液体，例え
ば，イソプロピルアルコールに，金属珪素粉末を分散さ
せたけん濁液を，炭素繊維強化炭素複合材の表面に塗布
し，液体を蒸発させて，金属珪素粉末を炭素繊維強化炭
素複合材に付着させる。これを不活性雰囲気中で1700〜
2300℃に加熱し，炭素繊維強化炭素複合材の炭素と金属
珪素とを反応させて炭化珪素の下地層をつくる。
得られる炭化珪素の下地層は，二つの層からなる。外
層は，粒系が３〜10μｍのSiCが，粒子同士の接触点が
わずかに一体化した，厚さが20〜30μｍの多孔質な層で
ある。この多孔質層（第３図における６）の下には，あ
たかも炭化珪素のくさびを炭素繊維強化炭素複合材へ打
ち込んだような，炭化珪素と炭素の混合物層（７）が生
成する。これは，溶融状態の金属珪素が，基材である炭
素繊維強化炭素複合材の気孔内部に，浸入して反応する
ためである。この混合物層の厚さは，反応前に付着させ
る金属珪素の量によって制御することができ，望ましく
は100〜200μｍが良い。ただし該混合物層中に未反応の
珪素が残っても良い。
層は，粒系が３〜10μｍのSiCが，粒子同士の接触点が
わずかに一体化した，厚さが20〜30μｍの多孔質な層で
ある。この多孔質層（第３図における６）の下には，あ
たかも炭化珪素のくさびを炭素繊維強化炭素複合材へ打
ち込んだような，炭化珪素と炭素の混合物層（７）が生
成する。これは，溶融状態の金属珪素が，基材である炭
素繊維強化炭素複合材の気孔内部に，浸入して反応する
ためである。この混合物層の厚さは，反応前に付着させ
る金属珪素の量によって制御することができ，望ましく
は100〜200μｍが良い。ただし該混合物層中に未反応の
珪素が残っても良い。
前記炭化珪素下地層の上に,CVD法により炭化珪素被覆
膜（第２図または第３図における８）を形成する。具体
的に方法として，例えば四塩化珪素を水素で還元しメタ
ンのような炭化水素を反応させる方法や，メチルトリク
ロロシランを熱分解する方法などが使用できる。CVD法
による炭化珪素膜の厚さは,10μｍ程度以上あれば良い
が望ましくは100μｍ程度がよく，通常50〜1000μｍで
ある。
膜（第２図または第３図における８）を形成する。具体
的に方法として，例えば四塩化珪素を水素で還元しメタ
ンのような炭化水素を反応させる方法や，メチルトリク
ロロシランを熱分解する方法などが使用できる。CVD法
による炭化珪素膜の厚さは,10μｍ程度以上あれば良い
が望ましくは100μｍ程度がよく，通常50〜1000μｍで
ある。
炭化珪素の下地層の上にCVD法による炭化珪素を沈積
させると,CVD法による炭化珪素が多孔質炭化珪素層の気
孔内にも沈積するため,CVD法による炭化珪素膜の基材へ
の接着力が向上する。炭化珪素と炭素の混合物層は，こ
の接着をより確かなものにする。さらに，該混合物層の
炭化珪素は，炭素繊維強化炭素複合材の気孔内に生成し
やすく，炭素繊維強化炭素複合材表面付近の気孔を塞
ぎ，より内部への酸素の浸透を低減することが期待され
る。また，混合物層内では，炭化珪素の炭素に対する比
が，基材内部に向かって減少するので，組成の傾斜化よ
ってCVD法による炭化珪素被覆膜に発生する熱応力が緩
和されることが期待される。
させると,CVD法による炭化珪素が多孔質炭化珪素層の気
孔内にも沈積するため,CVD法による炭化珪素膜の基材へ
の接着力が向上する。炭化珪素と炭素の混合物層は，こ
の接着をより確かなものにする。さらに，該混合物層の
炭化珪素は，炭素繊維強化炭素複合材の気孔内に生成し
やすく，炭素繊維強化炭素複合材表面付近の気孔を塞
ぎ，より内部への酸素の浸透を低減することが期待され
る。また，混合物層内では，炭化珪素の炭素に対する比
が，基材内部に向かって減少するので，組成の傾斜化よ
ってCVD法による炭化珪素被覆膜に発生する熱応力が緩
和されることが期待される。
以上の凹凸処理，炭化珪素下地層，およびCVD法によ
る炭化珪素被覆は，炭素繊維強化炭素複合材の側面を含
めた全外表面に施すことが望ましい。
る炭化珪素被覆は，炭素繊維強化炭素複合材の側面を含
めた全外表面に施すことが望ましい。
最後に,CVD法による炭化珪素被覆膜に生じたクラック
を，酸化ほう素と酸化珪素の混合物（第２図における
９）で封溝処理する。酸化ほう素の融点が480℃であ
り，炭素繊維強化炭素複合材が酸化が始める温度（500
〜600℃）で酸化ほう素は液体になり炭化珪素膜のクラ
ックを完全に封溝し，酸化ほう素が著しく蒸発するよう
な高温では，酸化珪素またはほう珪酸ガラスが液体とな
ってクラックを完全に封溝し（10），炭化珪素被覆膜に
生じたクラックから酸素が進入するのを防ぐ。酸化ほう
素と酸化珪素の混合物は,CVD法による炭化珪素膜のクラ
ックの中にあればよく，炭化珪素膜の上または炭素繊維
強化炭素複合材の気孔内部に存在してもなんら問題はな
い。
を，酸化ほう素と酸化珪素の混合物（第２図における
９）で封溝処理する。酸化ほう素の融点が480℃であ
り，炭素繊維強化炭素複合材が酸化が始める温度（500
〜600℃）で酸化ほう素は液体になり炭化珪素膜のクラ
ックを完全に封溝し，酸化ほう素が著しく蒸発するよう
な高温では，酸化珪素またはほう珪酸ガラスが液体とな
ってクラックを完全に封溝し（10），炭化珪素被覆膜に
生じたクラックから酸素が進入するのを防ぐ。酸化ほう
素と酸化珪素の混合物は,CVD法による炭化珪素膜のクラ
ックの中にあればよく，炭化珪素膜の上または炭素繊維
強化炭素複合材の気孔内部に存在してもなんら問題はな
い。
酸化ほう素は,CVD法による炭化珪素を被覆した炭素繊
維強化炭素複合材の単位表面積当り,1〜200mg/cm2含浸
されていればよく，好ましくは0.10〜100mg/cm2含浸さ
れていればよい。酸化珪素は，重量で酸化ほう素の10％
以上，好ましくは30〜400％あればよい。
維強化炭素複合材の単位表面積当り,1〜200mg/cm2含浸
されていればよく，好ましくは0.10〜100mg/cm2含浸さ
れていればよい。酸化珪素は，重量で酸化ほう素の10％
以上，好ましくは30〜400％あればよい。
酸化ほう素あるいは酸化珪素を直接含浸しても良い
が,CVD法による炭化珪素の膜のクラックの幅が狭いの
で，直接含浸するには，高温高圧の設備が必要であり経
済的でない。従って低粘度で炭化珪素と濡れの良い有機
前駆体を含浸して，その後，酸化ほう素あるいは酸化珪
素に変換する方法が適している。かかる条件を満たす有
機前駆体の一つは，ほう素あるいは珪素のアルコオキサ
イドと，水及び，両者を溶解し得る溶剤との溶液であ
る。
が,CVD法による炭化珪素の膜のクラックの幅が狭いの
で，直接含浸するには，高温高圧の設備が必要であり経
済的でない。従って低粘度で炭化珪素と濡れの良い有機
前駆体を含浸して，その後，酸化ほう素あるいは酸化珪
素に変換する方法が適している。かかる条件を満たす有
機前駆体の一つは，ほう素あるいは珪素のアルコオキサ
イドと，水及び，両者を溶解し得る溶剤との溶液であ
る。
具体的には，ほう素のアルコオキサイドとしては，ト
リエチルオルソボレイトＢ（OC2H5）３（以下,TEOBと略
す。）を，珪素のアルコオキサイドとしてはテトラエチ
ルオルソシリケイトSi（OC2H5）４（以下,TEOSと略
す。）を，共通溶媒としてはエチルアルコールやメチル
アルコールを，それぞれ使用することができる。また,T
EOSやTEOBは，溶液の粘度が約1Pを超えない程度に，予
め縮重合させておいても良い。TEOS/水／エタノール溶
液または,TEOB/水／エタノール溶液は、被処理物に含浸
した後，大気中で約120℃で熱処理（以後，硬化処理と
いう。）することで，約80wt％の酸化ほう素または酸化
珪素を含む化合物になる。炭素繊維強化炭素複合材を入
れた容器を減圧にし，つづいて，減圧下で有機前駆体を
導入した後に常圧に戻す真空含浸法や，真空含浸後にさ
らに圧力を加える真空加圧含浸法や，被処理物を有機前
駆体溶液に浸すだけのディッピング含浸法などが利用で
きる。
リエチルオルソボレイトＢ（OC2H5）３（以下,TEOBと略
す。）を，珪素のアルコオキサイドとしてはテトラエチ
ルオルソシリケイトSi（OC2H5）４（以下,TEOSと略
す。）を，共通溶媒としてはエチルアルコールやメチル
アルコールを，それぞれ使用することができる。また,T
EOSやTEOBは，溶液の粘度が約1Pを超えない程度に，予
め縮重合させておいても良い。TEOS/水／エタノール溶
液または,TEOB/水／エタノール溶液は、被処理物に含浸
した後，大気中で約120℃で熱処理（以後，硬化処理と
いう。）することで，約80wt％の酸化ほう素または酸化
珪素を含む化合物になる。炭素繊維強化炭素複合材を入
れた容器を減圧にし，つづいて，減圧下で有機前駆体を
導入した後に常圧に戻す真空含浸法や，真空含浸後にさ
らに圧力を加える真空加圧含浸法や，被処理物を有機前
駆体溶液に浸すだけのディッピング含浸法などが利用で
きる。
所定の有機前駆体の含浸硬化処理が終了したのち，使
用前に500〜1400℃で熱処理して，酸化ほう素を溶融さ
せて酸化ほう素によるクラックの封溝をより確かなもの
にする。
用前に500〜1400℃で熱処理して，酸化ほう素を溶融さ
せて酸化ほう素によるクラックの封溝をより確かなもの
にする。
得られた熱防護部材は，例えば，アルミ合金やポリイ
ミド系複合材料等からなる機体構造材（第１図における
１）の上にアルミナ繊維等からなる断熱材層（２）を配
し，その上を空力学的外力を支えうる薄い高強度の耐熱
材（３）で覆い，この耐熱材を機体構造材にファスナ等
の締結部材で固定した宇宙往還機熱用熱防護構造として
使用することができる。その他，従来シリカ系タイルが
使用されていた部位のみならず，大気圏に再突入する際
に特に高温となる部位，例えばノーズコーン，翼前縁
部，垂直尾翼，ボディフラップ等の部位にも使用するこ
とができる。尚ノーズコーンや翼に用いる場合，熱防護
部材と機体本体の間の断熱材層を介さないで用いる事も
可能である。
ミド系複合材料等からなる機体構造材（第１図における
１）の上にアルミナ繊維等からなる断熱材層（２）を配
し，その上を空力学的外力を支えうる薄い高強度の耐熱
材（３）で覆い，この耐熱材を機体構造材にファスナ等
の締結部材で固定した宇宙往還機熱用熱防護構造として
使用することができる。その他，従来シリカ系タイルが
使用されていた部位のみならず，大気圏に再突入する際
に特に高温となる部位，例えばノーズコーン，翼前縁
部，垂直尾翼，ボディフラップ等の部位にも使用するこ
とができる。尚ノーズコーンや翼に用いる場合，熱防護
部材と機体本体の間の断熱材層を介さないで用いる事も
可能である。
以下，実施例によりさらに詳細に説明する。
第１図に本発明の一実施例としての宇宙往還機用の熱
防護構造を示す。宇宙往還機の本体１の表面にはシリカ
繊維及びアルミナ繊維の混合繊維からなる断熱材層２が
設けられ，更に断熱材層２の外表面が後術する熱防護部
材３により覆われている。熱防護部材３はタイル状にな
っているが，熱防護部材３の端部は段状に形成されてお
り，隣接する熱防護部材３と段部が重なりあっている。
熱防護部材３の中央部及び一端側にそれぞれ，締結部材
としてのニオブ製ファスナ12が挿着されて断熱材層２を
間装しながら熱防護部材３を宇宙往還機の本体１に固着
している。ここでファスナ12の下端は，宇宙往還機の本
体１に設けられたクリップ13により固着されている。本
実施例に用いる熱防護部材３は次に述べる方法で製造し
た。
防護構造を示す。宇宙往還機の本体１の表面にはシリカ
繊維及びアルミナ繊維の混合繊維からなる断熱材層２が
設けられ，更に断熱材層２の外表面が後術する熱防護部
材３により覆われている。熱防護部材３はタイル状にな
っているが，熱防護部材３の端部は段状に形成されてお
り，隣接する熱防護部材３と段部が重なりあっている。
熱防護部材３の中央部及び一端側にそれぞれ，締結部材
としてのニオブ製ファスナ12が挿着されて断熱材層２を
間装しながら熱防護部材３を宇宙往還機の本体１に固着
している。ここでファスナ12の下端は，宇宙往還機の本
体１に設けられたクリップ13により固着されている。本
実施例に用いる熱防護部材３は次に述べる方法で製造し
た。
まず，圧縮空気で炭化珪素粉末を，炭素繊維クロスを
積層した平板状炭素繊維強化炭素複合材に吹き付けて，
炭素繊維強化炭素複合材の表面を凹凸にした。つづい
て，金属珪素粉末100部をイソプロピルアルコール40部
に分散したけん濁液を，炭素繊維強化炭素複合材の表面
に塗布し，イソプロピルアルコールを蒸発させた後に，
アルゴン中で2000℃に加熱して，基材炭素繊維強化炭素
複合材に良く接着した炭化珪素の下地層を作った。つい
で，メチルトリクロロシランを用いてCVD法によって,Si
Cを100μｍ沈積させた。以上の処理を炭素繊維強化炭素
複合材の全外表面を施した。つぎに,TEOS100部，エタノ
ール60部，水26部の混合溶液と,TEOB100部，エタノール
100部，水20部の混合溶液を，交互にそれぞれ３回ずつ
含浸した。TEOS溶液あるいはTEOB溶液含浸後は，それぞ
れ乾燥後120℃で硬化させた。この時の酸化ほう素含浸
量は,16mg/cm2であり，酸化珪素の含浸量は48mg/cm2で
あった。最後に，アルゴン中で800℃に加熱した。
積層した平板状炭素繊維強化炭素複合材に吹き付けて，
炭素繊維強化炭素複合材の表面を凹凸にした。つづい
て，金属珪素粉末100部をイソプロピルアルコール40部
に分散したけん濁液を，炭素繊維強化炭素複合材の表面
に塗布し，イソプロピルアルコールを蒸発させた後に，
アルゴン中で2000℃に加熱して，基材炭素繊維強化炭素
複合材に良く接着した炭化珪素の下地層を作った。つい
で，メチルトリクロロシランを用いてCVD法によって,Si
Cを100μｍ沈積させた。以上の処理を炭素繊維強化炭素
複合材の全外表面を施した。つぎに,TEOS100部，エタノ
ール60部，水26部の混合溶液と,TEOB100部，エタノール
100部，水20部の混合溶液を，交互にそれぞれ３回ずつ
含浸した。TEOS溶液あるいはTEOB溶液含浸後は，それぞ
れ乾燥後120℃で硬化させた。この時の酸化ほう素含浸
量は,16mg/cm2であり，酸化珪素の含浸量は48mg/cm2で
あった。最後に，アルゴン中で800℃に加熱した。
比較例として，凹凸処理をせず炭化珪素の下地層を作
らずに，直接炭素繊維強化炭素複合材にCVD法で炭化珪
素被覆膜を形成した以外は，実施例と同様に調製した熱
防護部材も作製した。
らずに，直接炭素繊維強化炭素複合材にCVD法で炭化珪
素被覆膜を形成した以外は，実施例と同様に調製した熱
防護部材も作製した。
このようにして処理した宇宙往還機用熱防護部材試験
片（30×30×5mm）を，大気圏再突入時の空力加熱を模
擬する条件として大気中で熱流束0.05Kcal/cm2secのア
ルゴンプラズマを360秒間照射するテストを,10回繰り返
した。実施例は，重量減少が0.27wt％であったのに対し
て，比較例は１回のアルゴンプラズマ照射で，炭化珪素
被覆膜が剥離した。
片（30×30×5mm）を，大気圏再突入時の空力加熱を模
擬する条件として大気中で熱流束0.05Kcal/cm2secのア
ルゴンプラズマを360秒間照射するテストを,10回繰り返
した。実施例は，重量減少が0.27wt％であったのに対し
て，比較例は１回のアルゴンプラズマ照射で，炭化珪素
被覆膜が剥離した。
従って，本実施例の熱防護部材をはりつけた熱防護構
造であれば，大気圏再突入の際にも炭化珪素被覆膜の剥
離によって内部の炭素繊維強化炭素複合材の酸化消失と
いう事態がおきないので，断熱作用が十分確保され，宇
宙往還機を常温のままに保つことができる。
造であれば，大気圏再突入の際にも炭化珪素被覆膜の剥
離によって内部の炭素繊維強化炭素複合材の酸化消失と
いう事態がおきないので，断熱作用が十分確保され，宇
宙往還機を常温のままに保つことができる。
本発明によれば，大気圏に再突入する宇宙往還機用熱
防護構造として好適な宇宙機器の熱防護構造を得ること
ができる。
防護構造として好適な宇宙機器の熱防護構造を得ること
ができる。
第１図は，本発明の熱防護の使用例を示した概略断面
図，第２図は本発明に於ける宇宙往還機用熱防護の概略
断面図，第３図は第２図Ａ部の拡大図である。 １……機体構造材,2……断熱材層,3……熱防護部材,4…
…炭素繊維強化炭素複合材,5……炭化珪素下地層,6……
炭化珪素下地層中の多孔質層,7……炭化珪素下地層中の
炭化珪素と炭素の混合物層,8……炭化珪素被覆膜,9……
酸化ほう素と酸化珪素の混合物,10……溶融した酸化ほ
う素または酸化珪素,12……ファスナ。
図，第２図は本発明に於ける宇宙往還機用熱防護の概略
断面図，第３図は第２図Ａ部の拡大図である。 １……機体構造材,2……断熱材層,3……熱防護部材,4…
…炭素繊維強化炭素複合材,5……炭化珪素下地層,6……
炭化珪素下地層中の多孔質層,7……炭化珪素下地層中の
炭化珪素と炭素の混合物層,8……炭化珪素被覆膜,9……
酸化ほう素と酸化珪素の混合物,10……溶融した酸化ほ
う素または酸化珪素,12……ファスナ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大島 正征 愛知県名古屋市港区大江町10番地 三菱 重工業株式会社名古屋航空機製作所内 (72)発明者 山口 正元 愛知県名古屋市港区大江町10番地 三菱 重工業株式会社名古屋航空機製作所内 (72)発明者 藤島 治 香川県坂出市番の州町１番地 三菱化成 株式会社坂出工場内 (72)発明者 石原 正司 神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地 三菱化成株式会社総合研究所内 (72)発明者 野瀬 太助 香川県坂出市番の州町１番地 三菱化成 株式会社坂出工場内
Claims (1)
- 【請求項１】宇宙機器の本体外表面上に被着された断熱
材層と，その周縁部が段状に形成され段部が相互に嵌合
して前記断熱材層上に設けられた熱防護部材であって表
面が凹凸処理された炭素繊維強化炭素複合材の外表面に
炭化珪素被覆膜が形成され，かつ該炭化珪素被覆膜と炭
素繊維強化炭素複合材との間に炭素繊維強化複合材の炭
素と反応して得られる炭化珪素層を有し更に炭化珪素被
覆膜が酸化ほう素と酸化珪素の混合物で封孔処理された
熱防護部材と，一側が前記熱防護部材に固定され断熱材
層を間装しながら他側が宇宙機器本体に固定されて熱防
護部材及び断熱材層を宇宙機器本体に固定する締結部材
とを有する宇宙機器の熱防護構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29296689A JP2651386B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 宇宙機器の熱防護構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29296689A JP2651386B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 宇宙機器の熱防護構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03153500A JPH03153500A (ja) | 1991-07-01 |
| JP2651386B2 true JP2651386B2 (ja) | 1997-09-10 |
Family
ID=17788736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29296689A Expired - Fee Related JP2651386B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 宇宙機器の熱防護構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2651386B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103640319A (zh) * | 2013-11-25 | 2014-03-19 | 宜兴市飞舟高新科技材料有限公司 | 一种碳纤维复合板预制体的制作方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107487054B (zh) * | 2016-06-12 | 2023-08-08 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 多层复合膜、其制备方法以及作为纤维增强复合材料的连接材料的应用 |
-
1989
- 1989-11-10 JP JP29296689A patent/JP2651386B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103640319A (zh) * | 2013-11-25 | 2014-03-19 | 宜兴市飞舟高新科技材料有限公司 | 一种碳纤维复合板预制体的制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03153500A (ja) | 1991-07-01 |
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