JP4236328B2

JP4236328B2 - 耐熱構造体およびその製造方法

Info

Publication number: JP4236328B2
Application number: JP10575099A
Authority: JP
Inventors: 田雅久本
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2000289700A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙機類に用いられる繊維強化複合材料製の耐熱構造体に関し、とくに、アブレーション機能を有する耐熱構造体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の耐熱構造体は、例えば、大気圏に突入する宇宙カプセルの底部を構成すると共に、大気圏突入時の空力加熱に対する防御手段として用いられており、アブレーション機能、すなわち熱により固体を気化してその潜熱で冷却を行う機能を有している。このようなアブレーション材料は、昭和５８年４月２５日に丸善が発行した『増補版・航空宇宙工学便覧』の第５０６頁〜第５０８頁、第５２８頁および第５２９頁などに記載されている。
【０００３】
近年において、宇宙カプセルの底部に用いる耐熱構造体としては、強化材として炭素繊維製のクロスを積層し、この積層体に熱硬化性樹脂を含浸して硬化処理を施したものがある。この耐熱構造体は、軸線に対して斜めになるようにクロスを積層し、その外側を概略球面に成形して外側にクロスの層が現れるようにすることにより、外側が空力加熱を受けた際に、樹脂の気化によって発生したガスがクロスの層間から良好に抜けるようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような宇宙機類に用いられる耐熱構造体は、その機能を高めるだけでなく軽量化を図ることも非常に重要である。例えば、軽量化を実現するとともに熱伝導率を下げるには、軸線に対して斜めのクロスを積層した構造よりも、軸線に対して直交するクロスを積層した構造とした方が有利である。しかしながら、軸線に対して直交するクロスを積層した構造にすると、空力加熱を受けた際にクロスの層間剥離が生じやすくなるという不具合があった。また、クロスチョップや繊維チョップを用いて、チョップモールド成形する方法もあるが、この場合、クロスの積層構造に比べて強度が低下するという不具合があった。したがって、従来の耐熱構造体にあっては、機能の向上ならびに軽量化を図るうえでさらなる改善が要望されていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、外側が概略球面状を成す繊維強化複合材料製の宇宙機類用の耐熱構造体において、アブレーション機能や強度を充分に得ることができると共に、軽量化も実現することができる耐熱構造体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる耐熱構造体は、請求項１として、外側が概略球面状を成す繊維強化複合材料製の宇宙機類用の耐熱構造体であって、概略球面の中央部分に、軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る中央積層部を備え、中央積層部の外周側に、中心から外周側に至る方向において、その外側面に対して鋭角に交差する方向のクロスを積層して成る外周積層部を備えた構成とし、請求項２として、外周積層部の内周側に、中央積層部の内側に係合する段部を設けた構成とし、請求項３として、中央積層部の中央部分に、スリットを有し且つ軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る先端積層部を備えた構成とし、請求項４として、概略球面の中心部にガス抜き通路を設けた構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
また、本発明に係わる耐熱構造体の製造方法は、請求項５として、請求項３又は４に記載の耐熱構造体を製造するに際し、所定の間隔で複数のスリットを形成したクロスを用い、スリットが順に交差する状態にクロスを積層して先端積層部を形成する構成とし、請求項６として、クロスにおけるスリットが、クロスの中央で且つクロスの縦横寸法のそれぞれ１／２の範囲内に形成してある構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わる耐熱構造体では、外側が概略球面状を成す繊維強化複合材料製の宇宙機類用の耐熱構造体において、中央部分に、軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る中央積層部を備えているので、空力加熱を受けた際に最も高温となる中央部分の熱伝導率が中央積層部によって下げられると共に、中央部分の限られた範囲に中央積層部を設けることで、クロスの層間剥離も発生しにくいものとなり、しかも、中央積層部の外側にはクロスの層が現れるので、空力加熱により発生したガスがクロスの層間から良好に抜けることとなる。
【０００９】
また、上記の耐熱構造体では、中央積層部の外周側に外周積層部が設けてあって、この外周積層部のクロスが、中心から外周側に至る方向において、その外側面に対して鋭角に交差する方向、すなわち空力加熱を受けた際に中央積層部で発生したガスの流れに沿う方向となっているので、クロスの層間剥離が防止されるうえに良好なガス抜きが行われる。
【００１０】
本発明の請求項２に係わる耐熱構造体では、外周積層部の内周側に、中央積層部の内側に係合する段部が設けてあるので、空気抵抗による中央積層部への負荷が段部により抑止される。
【００１１】
本発明の請求項３に係わる耐熱構造体では、空力加熱を受けた際に最も高温となる中央積層部のさらに中央部分に、スリットを有し且つ軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る先端積層部を備えているので、スリットに充填されていた樹脂が空力加熱によりガス化して放出されると共に、同スリットによってガス抜きが一層良好なものとなる。
【００１２】
本発明の請求項４に係わる耐熱構造体では、概略球面の中心部にガス抜き通路が設けてあるので、空力加熱を受けた際に中心からもガス抜きが行われ、外側面全体から良好なガス抜きが行われる。
【００１３】
本発明の請求項５に係わる耐熱構造体の製造方法では、請求項３又は４に記載の耐熱構造体、すなわち外側が概略球面状を成し且つ中央積層部の中央部分に先端積層部を備えた耐熱構造体、または中心部にガス抜き通路を設けた耐熱構造体を製造するに際し、所定の間隔で複数のスリットを形成したクロスを用いるので、後に空力加熱を受けた際に充分な量のガスが発生し得るように、硬化材であると同時にガスの発生源でもある樹脂がスリットに充填されることとなり、また、スリットが順に交差する状態にクロスを積層して先端積層部を形成するので、クロスの面に沿う方向の強度が確保されると共に、クロスの積層方向にスリットの一部が連続してガス抜き通路が形成される。
【００１４】
本発明の請求項６に係わる耐熱構造体の製造方法では、クロスにおけるスリットが、クロスの中央で且つクロスの縦横寸法のそれぞれ１／２の範囲内に形成してあるので、積層する際に、クロスの平面状態およびスリットの形状が損なわれるのが防止される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる耐熱構造体によれば、外側が概略球面状を成す繊維強化複合材料製の宇宙機類用の耐熱構造体において、中央積層部により、充分な強度を確保し得ると共に、クロスを斜めに積層したものに比べて、空力加熱を受けた際に最も高温となる中央部分の熱伝導率が小さくなり、この熱伝導率の低下に伴って構造体の薄肉化ならびに軽量化を実現することができる。また、構造体の中央部分の限られた範囲に中央積層部を設けたことにより、空力加熱を受けた際のクロスの層間剥離を防止することができると共に、中央積層部の外側においてクロスの層間から良好なガス抜きを行うことができ、優れたアブレーション機能を得ることができる。
【００１６】
さらに、上記の耐熱構造体によれば、央積層部の外周側に設けた外周積層部において、空力加熱を受けた際のクロスの層間剥離を防止することができると共に、外周積層部の外側においてクロスの層間から良好なガス抜きを行うことができ、優れたアブレーション機能を得ることができる。
【００１７】
本発明の請求項２に係わる耐熱構造体によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、外周積層部の内周側に設けた段部により、空気抵抗による中央積層部への負荷が抑止され、中央積層部におけるクロスの層間剥離をより確実に防止することができる。
【００１８】
本発明の請求項３に係わる耐熱構造体によれば、請求項１及び２と同様の効果を得ることができるうえに、先端積層部において、空力加熱を受けた際に、スリットに充填された樹脂により充分なガス発生量を得ることができると共に、スリットによってガス抜きが一層良好なものとなり、アブレーション機能をさらに高めることができる。
【００１９】
本発明の請求項４に係わる耐熱構造体によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、概略球面の中心部に設けたス抜き通路により、空力加熱を受けた際に中心からもガス抜きを良好に行うことができ、外側面全体から良好なガス抜きを行ってアブレーション機能をさらに高めることができる。
【００２０】
本発明の請求項５に係わる耐熱構造体の製造方法によれば、請求項３または請求項４に記載の耐熱構造体を製造するに際し、複数のスリットを有するクロスを用い、スリットが順に交差する状態にクロスを積層して先端積層部を形成することから、樹脂を充填するための穴あけ加工等を全く必要とせずに、硬化材であると同時にガスの発生源でもある樹脂を充分に充填することができ、積層後においても樹脂の充填を容易に行うことができ、しかも、クロスの面に沿う方向の強度を確保し得ると共に、クロスの積層方向にガス抜き通路をきわめて簡単に形成することができ、請求項３または４と同様の効果をもたらす耐熱構造体を得ることができる。
【００２１】
本発明の請求項６に係わる耐熱構造体の製造方法によれば、請求項５と同様の効果を得ることができるうえに、クロスにおけるスリットの形成範囲を限定したことにより、クロスを積層する際に、クロスの平面状態やスリットの形状が損なわれるのを防止することができ、クロスの取扱いを容易に行うことができ、クロスを規則的に且つ正確に積層し得るようにして、高品質の先端積層部を備えた耐熱構造体を得ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明に係わる耐熱構造体の一実施例および耐熱構造体の製造方法を説明する。
【００２３】
図１に示す耐熱構造体Ａは、大気圏に再突入する宇宙カプセルの底部を構成するものであって、外側の面が下方に突出した概略球面状を成しており、繊維強化複合材料で形成してある。
【００２４】
繊維強化複合材料は、強化繊維として炭素繊維を使用し、この炭素繊維を縦横に織ったクロスを積層して成るものである。また、繊維強化複合材料は、予め熱硬化性樹脂を含浸したクロスを使用し、あるいはクロスの積層とともに熱硬化性樹脂し、あるいはクロスの積層後に熱硬化性樹脂を含浸し、その後、加圧および加熱の硬化処理を施すことによってＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）化したものとなる。
【００２５】
耐熱構造体Ａは、概略球面の中央部分に中央積層部１を備えると共に、中央積層部１の外周側に外周積層部２を備え、さらに中央積層部１の中央部分に、先端積層部３を備えた構成になっており、内側には搭載機器の収容空間４を形成している。このとき、中央積層部１は、概略円盤状に形成され、その内側には断熱材５が設けてある。他方、外周積層部２は、環状に形成され、その外周端部には宇宙カプセルの上部カバー（図示せず）の取付けるためのフランジ部６が設けてある。
【００２６】
中央積層部１は、当該構造体Ａの軸線Ｂに対して直交する方向のクロスＣ１を積層して成るものである。外周積層部２は、当該構造体の中心から外周側に至る方向において、その外側面に対して鋭角な角度θで交差する方向のクロスＣ２を積層して成るものである。先端積層部３は、スリットを有し且つ軸線Ｂに対して直交する方向のクロスＣ３を積層して成るものである。このとき、各積層部１〜３は、それぞれ外側にクロスＣ１〜Ｃ３の層が現れた状態になっている。
【００２７】
また、外周積層部２は、その内周側に、中央積層部１の内側に係合する段部７を全周にわたって有している。さらに、先端積層部３は、概略球面の中心部にガス抜き通路８を有している。これらの積層部１〜３は、それぞれ別体で成形して硬化処理したものを組合わせることも可能であるし、それぞれ別体で成形したものを組合わせてから硬化処理することも可能であり、外側が所定の概略球面となるように切削加工等も施される。
【００２８】
ここで、先端積層部３は、図２に示す要領で製造される。この製造には、所定の間隔で複数のスリットＳを形成したクロスＣ３を用いる。このとき、クロスＣ３は、その中央で且つ縦横寸法ａ，ｂのそれぞれ１／２の範囲（ｘ，ｙ）内にスリットＳが形成してある。このようにスリットＳを形成する範囲を限定することにより、クロスＣ３は、積層する際に、平面状態およびスリットＳの形状が損なわれることがなく、取扱いが容易になり、規則的に且つ正確に積層し得る。
【００２９】
そして、先端積層部３は、スリットＳが順に交差する状態にクロスＣ３を積層することで形成される。このように積層することにより、スリットＳによってクロスＣ３の面に沿う方向の強度が損なわれることもなく、また、図３に示すように、クロスＣ３を積層するだけで各スリットＳの一部が連続し、クロスＣ３の積層方向にガス抜き通路８が簡単に形成できる。なお、図ではスリットＳが直交するように積層する場合を示したが、例えば、スリットＳが順に４５度で交差するように積層しても良い。
【００３０】
このようにして製造された先端積層部３は、硬化材であると同時に空力加熱を受けた際のガス発生源でもある樹脂がスリットＳに充分に充填され、且つクロスＣ３の積層後に樹脂を充填することも容易であって、樹脂を充填するための穴あけ加工等は一切不要である。
【００３１】
上記構成を備えた耐熱構造体Ａは、強化材としてクロスＣ１〜Ｃ３を用いたことにより、全体として充分な強度が確保されているうえに、軸線Ｂに直交するクロスＣ１，Ｃ３を積層して成る中央積層部１および先端積層部３により、クロスを斜めに積層したものに比べて、空力加熱を受けた際に最も高温となる中央部分の熱伝導率が小さくなり、この熱伝導率の低下に伴って構造体の薄肉化ならびに軽量化を実現している。
【００３２】
そして、耐熱構造体Ａは、宇宙カプセルが大気圏に再突入した際に、空力加熱に対する防御手段として働いて高熱から搭載機器を保護する。つまり、耐熱構造体Ａは、空力加熱によって各積層部１〜３における樹脂が気化し、その潜熱で冷却を行うアブレーション機能を有している。
【００３３】
このとき、当該耐熱構造体Ａは、最も高温となる中央部分に、軸線Ｂに直交するクロスＣ１，Ｃ３を積層して成る中央積層部１および先端積層部３を採用しているが、これら積層部１，３の範囲を中央部分に限定しており、且つ空気抵抗による中央積層部１への負荷が外周積層部２の段部７によって抑止されるので、中央積層部１および先端積層部３におけるクロスＣ１，Ｃ３の層間剥離が確実に防止されることになる。
【００３４】
また、中央積層部１および先端積層部３においては、その外側のクロスＣ１，Ｃ３の層間からガス抜きが行われ、とくに、先端積層部３においては、スリットＳに充填されていた樹脂の気化によって充分なガス発生量が得られると共に、同スリットＳによってガス抜きがより円滑に行われ、しかも、中心に設けたガス抜き通路８からもガス抜きが行われる。
【００３５】
さらに、外周積層部２においては、中央積層部１側から放出されたガスが外面に沿って高速で流れることになるが、当該構造体Ａの中心から外周側に至る方向すなわちガスの流れ方向に対して、クロスＣ２が鋭角な角度θで交差する方向となっているので、クロスＣ２の層間剥離が生じることもなく、同クロスＣ２の層間からガス抜きが行われる。
【００３６】
このようにして、耐熱構造体Ａは、空力加熱を受けた際に、中心を含む外側面全体からガス抜きが行われることになり、良好なアブレーション機能を得ることができる。
【００３７】
なお、本発明に係わる耐熱構造体は、その構成の細部が上記実施例に限定されるものではなく、また、中央積層部や先端積層部の直径や厚さなどは、全体の大きさや外面の曲率などによって適宜選択される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる耐熱構造体の一実施例を説明する断面図である。
【図２】本発明に係わる耐熱構造体の製造方法によって先端積層部を形成する要領を説明する斜視図である。
【図３】図２に示すクロスの積層によって形成されたガス抜き通路を説明する断面図である。
【符号の説明】
Ａ耐熱構造体
Ｂ軸線
Ｃ１〜Ｃ３クロス
Ｓスリット
１中央積層部
２外周積層部
３先端積層部
７段部
８ガス抜き通路

Claims

外側が概略球面状を成す繊維強化複合材料製の宇宙機類用の耐熱構造体であって、概略球面の中央部分に、軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る中央積層部を備え、中央積層部の外周側に、中心から外周側に至る方向において、その外側面に対して鋭角に交差する方向のクロスを積層して成る外周積層部を備えたことを特徴とする耐熱構造体。
外周積層部の内周側に、中央積層部の内側に係合する段部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の耐熱構造体。
中央積層部の中央部分に、スリットを有し且つ軸線に対して直交する方向のクロスを積層して成る先端積層部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の耐熱構造体。
概略球面の中心部にガス抜き通路を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐熱構造体。
請求項３又は４に記載の耐熱構造体を製造するに際し、所定の間隔で複数のスリットを形成したクロスを用い、スリットが順に交差する状態にクロスを積層して先端積層部を形成することを特徴とする耐熱構造体の製造方法。
クロスにおけるスリットが、クロスの中央で且つクロスの縦横寸法のそれぞれ１／２の範囲内に形成してあることを特徴とする請求項５に記載の耐熱構造体の製造方法。