JP3559797B2

JP3559797B2 - アブレータ

Info

Publication number: JP3559797B2
Application number: JP2000062250A
Authority: JP
Inventors: 和之三保; 誠司西尾; 純郎加藤; 順一木元
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: JP2001247100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙往還機などの熱防護材に用いられるアブレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙往還機、回収カプセル等の宇宙機の熱防護材としてアブレータが用いられる。アブレータは、大気圏再突入時の高温加熱時に、それ自身が炭化、溶融、昇華することにより、機体内部が高温になることを防ぐ。
【０００３】
この際、再突入時における空力特性に影響を与えないように、アブレータの表面損耗を設計値以下に抑えることが要求される。このためには、アブレータを高密度化する必要があり、その結果、アブレータの重量が増加する。従来の含浸タイプのアブレータでは、基材に樹脂を含浸させる際に、溶媒によって樹脂を希釈した含浸溶液を準備し、十分な量の溶液中に基材を浸す。含浸溶液は毛細管現象により基材中に均一に含浸され、この後、乾燥により溶媒を揮発させてアブレータを完成させる。
【０００４】
また、従来の宇宙機では、基体表面に取付けた断熱材の上に、アブレータが接着される。再突入前の地球周回軌道においては、熱サイクルによってアブレータと断熱材の接着面も−１００〜＋１００℃程度の熱サイクルを受けることとなる。また、惑星探査ミッション等の場合、太陽に面している部分はさらに高温となるが、それと逆の面は極低温となることが予測され、この際に−２００〜＋１００℃の温度勾配ができることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
アブレータの表面損耗は、アブレータの密度に依存し、高密度にするほど表面損耗が小さくなる。しかし上述のアブレータの製造方法では、表面損耗要求を満足するような高密度で全体が均一に含浸され、アブレータの重量が増加する。
【０００６】
また、上述のような−１００〜＋１００℃の熱サイクルおよび−２００〜＋１００℃の温度勾配を受けるような環境下では、現状のエポキシ系接着剤を用いているアブレータと断熱材の接着部分において、接着剤が劣化することにより、要求される排熱機能が損害される可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、軽量で、アブレータと断熱材の接着剤を必要としないアブレータ構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、機体の外表面に設けられ、高温加熱時にそれ自体が炭化、溶融、昇華することにより、機体内部が高温になることを防ぐアブレータにおいて、
剛性を有する多孔質材料から成り、基材の外方に臨む表面の厚さ５〜２０ｍｍの範囲に、高密度に樹脂を含浸させて一体化したことを特徴とするアブレータである。
【０００９】
本発明に従えば、樹脂が基材の表面側の５〜２０ｍｍの範囲にのみに高密度に含浸させて一体化するので、再突入時の表面損耗が同じであって、従来のアブレータより重量を軽くすることが可能であり、逆に、基材と樹脂とを含むアブレータ全体の重量を従来のアブレータと同じとして、再突入時の表面損耗を小さくすることが可能である。
【００１０】
請求項２記載の本発明は、樹脂を溶媒に希釈した溶液に、基材の表面側を浸漬し、低圧環境下に置くことで、基材の表面側のみに樹脂を高密度に含浸させることを特徴とする。
【００１１】
本発明に従えば、基材の表面側を樹脂に浸漬し、低圧、たとえばほぼ真空にすることにより樹脂を含浸させることができる。この際、浸漬する含浸溶液の量を調整することで、含浸厚さ、つまり表面から樹脂が含浸する厚さを容易に調整することができるとともに、含浸溶液の樹脂濃度を調整することにより含浸部分の密度を調整することができる。またこれらの含浸作業を繰返すことにより、より高密度に樹脂を含浸することができる。
【００１２】
請求項３記載の本発明の前記基材は、セラミックタイルであることを特徴とする。
【００１３】
たとえば、宇宙往還機は断熱材には、主としてセラミックタイルが用いられており、セラミックタイルによって外表面が覆われる。その中で、エレボン端部等の高加熱率部位にアブレータが取付けられる。そのため、アブレータの基材をセタミックタイルとすることで、機体の取付方法等もその他のセタミックタイル取付と同様の方法で適用でき、宇宙往還機のアブレータの基材としては最適である。
【００１４】
請求項４記載の本発明は、樹脂とともに充填材を基材に含浸させることを特徴とする。
【００１５】
樹脂の密度は、基材の真密度に比べて低密度であり、樹脂とともにカーボン等の充填材を含浸によって充填させることにより、基材の表面側をより高密度とすることができ、性能向上をはかることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるアブレータ１０を示す断面図である。本実施形態のアブレータ１０は、宇宙往還機の高加熱部位であるエレボン端部に用いられる。エレボン端部は、翼に対してわずかな隙間をあけて対向して配置されるので、再突入時に非常に高温となる。宇宙往還機の機体の外表面は断熱材で覆われるが、高加熱部位のみ断熱材だけでなく、アブレータが設けられる。
【００１７】
図１において、参照符１１は機体のアルミ構体であり、エポキシ樹脂などの接着剤１２によってアブレータ１０が貼付けられる。アブレータ１０は、多孔質材料からなり、密度０．２ｇ／ｃｍ程度で、厚さ５０ｍｍ程度の基材１３に対し、外方に臨む表面１３ａ側に所定の含浸厚さ、たとえば５〜２０ｍｍ程度で、所定の高密度で、たとえば０．７ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは、１．０〜１．５ｇ／ｃｍ^３程度で樹脂１４を含浸させて製造する。
【００１８】
本実施形態の基材１３は、機体の断熱材として使用される中密度セラミックタイルを用いる。つまり、本発明のアブレータ１は、断熱材とアブレータとが一体化した構造となる。セラミックタイルは、シリカ繊維とアルミナ繊維とを有機または無機のバインダを用いて成形して形成される。基材としてはこのようなセラミックタイルに限らず、たとえば、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、ジルコニア繊維などを有機または無機のバインダによって成形して形成したものであっても良い。また、基材の他の形態として、カーボンまたは炭化珪素などのフォーム材から形成したものであっても良い。
【００１９】
含浸させる樹脂１４としてはは、たとえばシリコン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂を用いる。本実施形態では、珪素（Ｓｉ）を含み、炭化後の表面損耗の低いシリコン樹脂を用いる。次に、図２を参照してアブレータ１０の製造方法の一例について説明する。
【００２０】
（１）ビーカ２０で樹脂１４を有機溶媒１５で希釈し、含浸溶液１６を準備する。ここで、準備する溶液の量は、予め定める含浸厚さ、つまりアブレータ１０の外方に臨む表面１３ａからの樹脂の厚さ、および基材１３の形状、仕様などに基づいて決定する。なお、計算方法に関しては後述する。
（２）基材１３を、表面側１３ａを下にして、ビーカ２０の含浸溶液１６に浸漬する。
（３）基材１３を浸漬したビーカ２０をベルジャー２２内に挿入し、密閉して真空ポンプ２３で真空引きする。また、ビーカ２０には、所定の含浸厚さに対応した量の溶液１６のみあるので、所定の含浸厚さまで溶液１６を含浸すると、余剰な含浸溶液１６がなくなるため、それ以上は含浸されない。つまり、溶液１６は浸漬される基材１３の表面１３ａ側に所定の厚さだけ含浸され、裏面１３ｂ側までは含浸されない。またさらに、大気圧下で含浸させるより短時間で樹脂１４を含浸させることができる。
（４）ビーカ１３内の溶液１６がほぼ全て基材１３に含浸されると、真空引きを終了し、バルブ２４を開いてベルジャー２２内の大気開放を行う。
（５）溶液１６を含浸した基材１３をビーカから取り出し、恒温槽２５に挿入して乾燥させる。すなわち、溶媒１５を揮発させる。
（６）溶媒１５が完全に揮発すると、恒温槽２５から取り出し、アブレータ１０が完成する。
【００２１】
このようにして、表面１３ａ側に所定の厚さだけ高密度に樹脂１４を含浸し、断熱材と樹脂１４とが一体となったアブレータ１０が得られる。
【００２２】
また、樹脂１４が表面１３ａ側に高密度に含浸されることにより、前述した従来技術のアブレータと全体の重量をほぼ同じとして、再突入時の表面損耗を低下させることができる。また、従来は基材１３と樹脂１４のアブレータ部分と基材１３のみの断熱材部分を接着剤により固定していたが、これを共通の基材とすることで接着剤が不要となる。
【００２３】
アブレータ１０の表面損耗は、表面の樹脂１４の密度によって決まり、密度が高いほど、再突入時の表面損耗を低減することができる。したがって、たとえば多孔質材料である基材１３の空隙率が高く、樹脂１４を含浸させただけでは充分な密度を得られない場合には、たとえばカーボンまたは炭化珪素などの充填材を含浸させ、密度をさらに高くしてもよい。この場合、充填材を溶液１６に混入して、樹脂１４とともに基材１３に充填材を含浸させる。
【００２４】
次に、基材１３に含浸させる樹脂量の計算方法について説明する。まず、ここで用いる基材の形状、仕様は以下のとおりであるものとする。（図３参照）
直径：Ｄ＝４ｃｍ
長さ：Ｌ＝４．５ｃｍ
密度：ρｔ＝０．１９ｇ／ｃｍ^３
空隙率：Ｂ＝９２ｖｏｌ％
【００２５】
ここに以下のように樹脂を含浸させるものとする。
樹脂密度：ρｒ＝１．０ｇ／ｃｍ^３
含浸部分密度：ρｉ＝０．９ｇ／ｃｍ^３
含浸厚さ：Ｌｉ＝２．０ｃｍ
【００２６】
したがって、必要となる樹脂の重量［Ｍｒ］は、以下のとおりである。

【００２７】
また、必要な樹脂の容積［Ｖｒ］は、以下のとおりである。

【００２８】
基材の空隙率より、含浸部分の空隙の容積［Ｖｂ］は以下のとおりある。

【００２９】
したがって、Ｖｒ＜Ｖｂとなるため、空隙中に必要な樹脂を含浸することが可能である。
【００３０】
次に、溶液１６について説明する。樹脂１４は溶媒１５（トルエン）で希釈して含浸するものとする。
溶媒の重量分率：ｗｓ＝５０ｗｔ％
溶媒密度：ρｓ＝０．８７ｇ／ｃｍ^３
溶媒の重量：Ｍｓ＝１７．８［ｇ］
樹脂希釈後の溶液１６の容積は約２倍となるため、溶液１６を半分に分け、含浸作業を２回実施する。つまり、半分の量で含浸、乾燥後、再度含浸作業を行う。なお、希釈する際の溶媒１５の比率は、樹脂の種類および充填材の有無によって異なる。
【００３１】
なお、本計算の場合、含浸後の空隙率［Ｂ’］は、以下のようになる。
【００３２】

また、密度は、充填材によっても調整することができる。
【００３３】
前述したように、本実施形態のアブレータ１０は宇宙往還機のエレボン端部に用いられ、再突入時の加熱条件は以下のとおりである。
（ａ）温壁加熱率：約０．６ＭＷ／ｍ^２（約１６００℃）
（ｂ）動圧：数ｋＰａ
（ｃ）加熱時間：約１２００秒
【００３４】
この条件において、表面損耗が３ｍｍ以下であることが要求条件となっている。図４に、大気圧下で基材全体に樹脂１４を含浸させた従来のアブレータと、本発明のアブレータ１０との性能比較を示す。
【００３５】
図４のグラフにおいて、縦軸は表面損耗速度（ｃｍ／ｓｅｃ）であり、横軸は、表面温度であり、ラインＬ１は、約１６００℃であり、ラインＬ２は、表面損耗目標値、２．７×１０Ｅ−４（ｃｍ／ｓ）である。つまり、要求される性能は、ラインＬ１より高く、ラインＬ２より低くなる範囲である。
【００３６】
図４において、領域Ａが従来のアブレータの性能を示す範囲であり、領域Ｂが、本発明のアブレータ１０の性能を示す範囲である。それぞれ複数種類のアブレータの実験結果が含まれる範囲を示したものである。
【００３７】
このグラフから、本発明のアブレータ１０では、ほぼ要求条件を満足していることが分かる。また、領域Ａ，Ｂを比べて分かるように、条件によっては従来のアブレータに比べて、表面損耗を１／１０以下に抑えることができる。
【００３８】
また、このグラフに示す本発明の例では充填材を加えていないので、充填材を加え、さらに高密度とすることで、さらに性能を向上し、確実に要求条件を満足することが可能である。
【００３９】
上述した本実施形態では、アブレータを宇宙往還機に適用する場合について説明したが、本発明はこのような形態に限らず、回収カプセルなどの機体のアブレータに適用することも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上にように本発明によれば、基材である断熱材に樹脂を含浸させてアブレータを形成することによって、アブレータと樹脂とを一体化し、断熱材にアブレータを接着する必要がなくなる。また、樹脂は基材の表面側のみに高密度に含浸されることによって、アブレータの表面損耗を低下させることができる。
【００４１】
また、含浸溶液の量および濃度を調整することにより、基材の表面側のみに高密度に樹脂を含浸させることができる。
【００４２】
また、宇宙往還機の断熱材はセラミックタイルが用いられるので、セラミックタイルの基材は宇宙往還機のアブレータとして最も好適である。
【００４３】
また、樹脂とともに充填材を含浸させることにより、含浸部の密度をさらに高くし、高温加熱時の表面損耗をさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアブレータ１０を示す断面図である。
【図２】アブレータ１０の製造方法を示す図である。
【図３】基材１３の形状を示す図である。
【図４】従来のアブレータと本発明のアブレータ１０との性能を比較するグラフである。
【符号の説明】
１０アブレータ
１１アルミ構体
１２接着剤
１３基材
１４樹脂
１５溶媒

Claims

機体の外表面に設けられ、高温加熱時にそれ自体が炭化、溶融、昇華することにより、機体内部が高温になることを防ぐアブレータにおいて、
剛性を有する多孔質材料から成り、基材の外方に臨む表面の厚さ５〜２０ｍｍの範囲に、高密度に樹脂を含浸させて一体化したことを特徴とするアブレータ。
樹脂を溶媒に希釈した溶液に、基材の表面側を浸漬し、低圧環境下に置くことで、基材の表面側のみに樹脂を高密度に含浸させることを特徴とする請求項１記載のアブレータ。
前記基材は、セラミックタイルであることを特徴とする請求項１または２記載のアブレータ。
樹脂とともに充填材を基材に含浸させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアブレータ。