KR20140123972A

KR20140123972A - 연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체

Info

Publication number: KR20140123972A
Application number: KR1020147023846A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 가미하라; 마사유키 야마시타; 도시오 아베; 유이치로 가미노
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-10-23
Also published as: EP2832645A4; US20150041592A1; CN104203752A; RU2581104C1; EP2832645A1; EP2832645B1; WO2013146335A1; JP5972967B2; US10011366B2; JPWO2013146335A1

Abstract

본 발명은 제조 공정에 있어서의 작업 시간이나 비용을 저감하고, 중량의 증가를 방지하는 것이 가능한 연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 연료 탱크는, 보강재(15)가 탄소 섬유를 포함하고, 매트릭스(17)가 플라스틱을 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용한 구조 부재를 구비하고, 매트릭스(17)는 도전성이 부여되어 있다. 그리고, 연료 탱크의 연료가 수용되는 내부에, 구조 부재가 절삭되어 형성된 구조 부재의 절삭면(11a)이 노출되어 있어도 된다.

Description

연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체{FUEL TANK, MAIN WING, AIRCRAFT FUSELAGE, AIRCRAFT, AND MOBILE BODY}

본 발명은, 구조 부재로서 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용한 연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체에 관한 것이다.

항공기의 주익은, 연료를 수용하는 것이 가능한 연료 탱크로서 사용되는 경우가 있다. 주익과 일체화되어, 날개 구조를 기름이 누설되지 않는 액밀 구조로 한 연료 탱크는, 인테그럴 탱크(integral tank)라고 불린다. 인테그럴 탱크는, 중량 경감을 목적으로서, 복합재, 예를 들면 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 적용되는 경향이 있다. CFRP는, 보강재로서 탄소 섬유가 사용되고, 매트릭스로서 합성 수지가 사용된다.

특허문헌 1에서는, 3차원 섬유 강화 수지 복합재의 발명이며, 생산성을 손상시키는 일이 없고, 섬유 강화 수지 복합재에 도전성을 부여하기 위해서, 변사(selvage)가 면내 방향사보다 도전성이 높은 도전성 재료로 구성되는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에서는, 프리프레그 및 탄소 섬유 강화 복합 재료의 발명이며, 우수한 내충격성과 도전성을 겸비하는 것을 목적으로 하고, 도전성의 입자 또는 섬유를 포함시키는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에서는, 개량형 복합 재료의 발명이며, 도전성을 갖고, 표준의 복합 재료와 비교하여 대부분 또는 완전히 중량 증가시키지 않는 것을 목적으로 하고, 고분자 수지 중에 분산한 도전성 입자를 포함시키는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2007-301838호 공보 일본 특허 공개 제2010-280904호 공보 일본 특허 공개 제2011-168792호 공보

그런데, 항공기의 연료 탱크에 있어서, CFRP가 사용되고 있는 경우, CFRP 부품의 표면, 특히 절삭 가공에 의해 형성된 절삭면에서, 탄소 섬유의 단부가 연료 탱크의 내부에 노출된다.

이 경우, 주익에의 착뢰(着雷)시에, 뇌전류가 CFRP 부품의 표면 또는 절삭면을 흐르면, 탄소 섬유의 단부에 있어서, 탄소 섬유 간에서 방전이 발생할 우려가 있다. 이 방전 대책으로서, CFRP 부품의 표면 또는 절삭면에 실란트 등을 도포하고, 발생한 전류를 내부에 가두는 방법이 채용되고 있다. 그러나, 실란트 등의 도포 작업에 의해, 연료 탱크의 제조 공정은, 작업 시간이나 비용이 증가한다. 또한, 도포된 실란트에 의해, 주익의 중량이 증가한다.

또한, 상술한 과제는, 항공기의 주익과 일체화된 인테그럴 탱크에 한정되지 않고, 연료가 유통하는 연료 전지의 용기에도 발생한다. 이하에서는, 연료 전지의 용기도 연료 탱크에 포함하여 설명한다. 또한, 연료 탱크를 갖는 항공기의 몸통체, 항공기 이외의 연료 탱크를 탑재한 자동차 등의 이동체에도 마찬가지의 과제가 발생한다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 제조 공정에 있어서의 작업 시간이나 비용을 저감하고, 중량의 증가를 방지하는 것이 가능한 연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 연료 탱크, 주익, 항공기 몸통체, 항공기 및 이동체는 이하의 수단을 채용한다.

즉, 본 발명에 따른 연료 탱크는, 보강재가 탄소 섬유를 포함하고, 매트릭스가 플라스틱을 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용한 구조 부재를 구비하고, 상기 매트릭스는 도전성이 부여되어 있다.

본 발명에 따르면, 연료 탱크의 구조 부재는, 보강재가 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱이다. 그리고, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스는, 플라스틱을 포함하고, 또한 도전성이 부여되어 있다. 매트릭스에 도전성이 부여되어 있지 않고, 구조 부재 단부에 실란트 등의 처리가 실시되어 있지 않은 경우, 착뢰시에 뇌전류가 단부를 흐르면, 단부에 있어서 보강재 간에서 방전이 발생할 우려가 있지만, 매트릭스에 도전성이 부여되어 있기 때문에, 탄소 섬유인 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서의 방전의 발생을 방지할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 연료가 수용되는 내부에, 상기 구조 부재가 절삭되어 형성된 상기 구조 부재의 절삭면이 노출되어 있어도 된다.

본 발명에 의하면, 구조 부재의 단부가 절삭면이고, 이 절삭면이, 연료가 수용되는 내부에 노출되고 있었다고 해도, 매트릭스에 도전성이 부여되어 있기 때문에, 탄소 섬유인 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서의 방전의 발생을 방지할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 판 두께 방향의 저항률이 500Ωcm 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 주익은, 상기의 연료 탱크를 구조체로 하고, 본 발명에 따른 항공기 몸통체는, 상기의 연료 탱크를 구비한다.

이 발명에 따르면, 주익의 구조체가 연료 탱크이고, 또는, 항공기 몸통체가 연료 탱크를 구비하고 있어서, 연료 탱크의 구조 부재는, 탄소 섬유 강화 플라스틱이다. 그리고, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스는, 플라스틱을 포함하고, 또한 도전성이 부여되어 있는 점에서, 탄소 섬유를 포함하는 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서의 방전의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 항공기는, 상기의 주익 또는 항공기 몸통체를 구비한다.

본 발명에 따르면, 항공기의 주익 또는 항공기 몸통체는, 구조체가 연료 탱크이고, 연료 탱크의 구조 부재는, 탄소 섬유 강화 플라스틱이다. 그리고, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스는 플라스틱을 포함하고, 도전성이 부여되어 있는 점에서, 탄소 섬유를 포함하는 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서의 방전의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동체는, 상기의 연료 탱크를 구비한다.

본 발명에 따르면, 이동체는 구조체가 연료 탱크이고, 연료 탱크의 구조 부재는 탄소 섬유 강화 플라스틱이다. 그리고, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 매트릭스는 플라스틱을 포함하고, 도전성이 부여되어 있는 점에서, 탄소 섬유를 포함하는 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서의 방전의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 매트릭스에 도전성이 부여되어 있기 때문에, 탄소 섬유인 보강재 간의 도통이 확보되어, 구조 부재의 단부에 있어서 보강재 간의 방전의 발생을 방지할 수 있고, 구조 부재의 단부에서 별도 실란트 등을 실시하지 않아도 되는 점에서, 제조 공정에 있어서의 작업 시간이나 비용을 저감하고, 중량의 증가를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 1 실시 형태에 따른 주익을 도시하는 사시도이고, 일부를 파단하여 나타낸다.
도 2는 동 실시 형태에 따른 주익을 도시하는 종단면도이다.
도 3은 동 실시 형태에 따른 리브의 플랜지를 도시하는 단면도이고, 도 5의 III-III선을 따라 본 도면이다.
도 4는 동 실시 형태에 따른 상측 스킨 및 리브를 도시하는 부분 종단면도이고, 도 2의 IV-IV선으로 절단한 단면도이다.
도 5는 동 실시 형태에 따른 리브의 플랜지를 도시하는 상면도이다.
도 6은 종래의 리브 플랜지를 도시하는 상면도이다.
도 7은 종래의 리브 플랜지를 도시하는 단면도이고, 도 6의 VII-VII선을 따라 본 도면이다.
도 8은 시험체의 판 두께 방향의 저항률[Ωcm]과 상대 스파크 발생 전류[％]와의 관계를 도시하는 그래프이다.

이하에, 본 발명에 따른 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 실시 형태에 따른 항공기의 주익(1)의 구성에 대하여 설명한다.

주익(1)은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 상측 스킨(3)과, 하측 스킨(5)과, 전방측 스퍼(7)와, 후방측 스퍼(9)와, 복수의 리브(11) 등을 구비한다.

상측 스킨(3) 및 하측 스킨(5)은, 주익(1)의 외형을 구성하고, 공력면도 겸하는 박판이다. 상측 스킨(3) 및 하측 스킨(5)은, 전방측 스퍼(7), 후방측 스퍼(9) 및 스트링거(도시하지 않음)와 함께 주익(1)에 작용하는 인장 하중이나, 압축 하중의 일부를 담당한다.

전방측 스퍼(7) 및 후방측 스퍼(9)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 주익(1)의 날개 길이 방향으로 연장되는 구조 부재이며, 상측 스킨(3) 및 하측 스킨(5)과의 사이에 배치된다. 복수의 스트링거는, 상측 스킨(3) 또는 하측 스킨(5)의 내측면에 주익(1)의 날개 길이 방향으로 연장되는 보조 부재이며, 전방측 스퍼(7)와 후방측 스퍼(9)와의 사이에 배치된다.

리브(11)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 주익(1)의 날개 폭 방향에 설치되는 구조 부재이며, 상측 스킨(3) 및 하측 스킨(5)의 사이에 배치된다. 즉, 리브(11)는, 전방측 스퍼(7) 및 후방측 스퍼(9)와 대략 직교하는 방향으로 연장되는 구조 부재이며, 주익(1)의 종단면 형상으로 형성된 판상의 부재이다. 리브(11)에는, 도 1이나 도 2에 도시한 바와 같이, 길이 방향으로 복수의 개구부(14)가 형성되어 있다.

주익(1)에서는 전방측 스퍼(7), 후방측 스퍼(9), 상측 스킨(3) 및 하측 스킨(5)으로 둘러싸인 부분이 연료를 수용하는 연료 탱크(13)로서 사용된다. 연료 탱크(13)는, 기체 구조물 자체가 용기로 되어 있고, 인테그럴 탱크(integral tank)라고 불리고 있다. 그리고, 전방측 스퍼(7), 후방측 스퍼(9), 상측 스킨(3), 하측 스킨(5) 및 리브(11)는, 연료 탱크(13)의 구조 부재이기도 하다. 연료 탱크(13)는 연료가 외부에 누설되지 않는 액밀 구조를 갖는다.

연료 탱크(13)의 내측에는, 연료를 연료 탱크(13)에 공급하는 연료 배관(도시하지 않음), 연료 유량을 검출하는 복수의 연료 유량계(도시하지 않음) 및 연료 유량계의 배선(도시하지 않음) 등이 설치된다.

이어서, 연료 탱크(13)의 구조 부재에 대하여 설명한다.

연료 탱크(13)의 구조 부재, 즉 전방측 스퍼(7), 후방측 스퍼(9), 상측 스킨(3), 하측 스킨(5) 및 리브(11)는, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 사용된다. 그리고, 연료 탱크(13)에 적용되는 본 실시 형태의 CFRP는, 도 3에 도시한 바와 같이, 보강재(15)가 탄소 섬유를 포함하고, 매트릭스(17)가 플라스틱을 포함한다. 그리고, 매트릭스(17)는, 도전성이 부여되어 있고, 이에 의해, 연료 탱크(13)의 구조 부재에 사용되는 CFRP는, 도전성을 갖는다. 도 3에서는, 리브(11)에 대하여 도시하고 있지만, 다른 부재에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 연료 탱크(13)에 있어서, 전방측 스퍼(7), 후방측 스퍼(9), 상측 스킨(3), 하측 스킨(5) 및 리브(11)의 전체를 CFRP로 형성하지 않아도 되고, 부분적으로 알루미늄 합금 등의 금속으로 형성되어도 된다.

매트릭스(17)는, 예를 들면 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 등의 플라스틱을 포함한다. 매트릭스(17)에 도전성을 부여하는 방법은, 열경화성 수지 등의 플라스틱에 대하여 도전성을 부여하는 여러가지 기술을 적용할 수 있고, 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다. 매트릭스(17)에 도전성을 부여하는 방법으로서는, 예를 들면 플라스틱 내에 도전성의 입자 또는 섬유를 포함시키는 방법이나, 플라스틱 바로 그것에 도전성을 부여하는 방법 등이 있다. 매트릭스(17)의 저항률은, 예를 들면 수 Ωcm이다.

연료 탱크(13)의 CFRP에 의한 구조 부재는, 연료가 수용되는 연료 탱크(13)의 내부에 있어서, 절삭 가공에 의해 형성된 절삭면이 노출되어 있다. 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 리브(11)가 플랜지(11A)와 웹(11B) 등으로 이루어지는 경우, 플랜지(11A)의 단부에 있어서, 절삭면(11a)이 연료 탱크(13)의 내부에 노출된다.

본 실시 형태에서는, 매트릭스(17)에 도전성이 부여되어 있는 점에서, 도 5에 도시한 바와 같이, 주익(1)의 리브(11)에의 착뢰시에, 착뢰 지점(P)으로부터 뇌전류(C)가 CFRP 부품의 표면 또는 절삭면(11a)을 흐를 때, 보강재(15) 사이에 있어서 전기적으로 도통한다. 그 결과, CFRP의 절삭면(11a)에 있어서, 보강재(15) 사이에서 방전이 발생하기 어렵다.

또한, 본 실시 형태는, CFRP에 의한 구조 부재의 표면에 프라이머로서 대전 방지 도료를 도포함으로써, 대전을 방지하면서, 전해적 작용에 의한 부식을 방지하는 기술과는 상이하고, 매트릭스(17) 자체에 도전성을 갖게 하고, 탄소 섬유를 포함하는 보강재(15) 사이의 전기적 도통을 확보한다.

본 실시 형태와 달리, 매트릭스(17)에 도전성이 부여되어 있지 않은 경우, 도 6에 도시한 바와 같이, 주익(1)의 리브(11)에의 착뢰시에, 착뢰 지점(P)으로부터 뇌전류(C)가 CFRP 부품의 표면 또는 절삭면(11a)을 흐를 때, 보강재(15)의 단부에 있어서, 보강재(15) 사이에서 방전(D)(도 6 및 도 7 참조)이 발생할 우려가 있다. 종래, 이 방전 대책으로서, 도 6에 나타내는 바와 같이 CFRP 부품의 표면 또는 절삭면(11a)에 실란트(12) 등을 도포하고, 발생한 전류를 내부에 가두는 방법이 채용되어 있다. 그러나, 실란트(12) 등의 도포 작업에 의해, 연료 탱크(13)의 제조 공정은, 작업 시간이나 비용이 증가한다. 또한, 도포된 실란트(12)에 의해, 주익(1)의 중량이 증가한다.

이에 비해, 본 실시 형태에 따르면, 연료 탱크(13)의 구조 부재는, 보강재(15)가 탄소 섬유를 포함하는 CFRP이고, 매트릭스(17)가 플라스틱을 포함하고, 또한 도전성이 부여되어 있다. 매트릭스(17)에 도전성이 부여되어 있기 때문에, 절삭면(11a)이 연료 탱크(13)의 내부에 노출되어 있었다고 해도, 보강재(15) 사이의 도통이 확보되어, 구조 부재의 절삭면(11a)에 있어서의 보강재(15) 사이의 방전 발생을 방지할 수 있다.

이어서, 본 발명의 일 실시 형태와, 종래예 각각에 대해서, 시험체를 제작하고, 내뢰 시험을 실시한 결과에 대하여 설명한다.

본 시험에서는, 도전성이 부여된 CFRP를 구비하는 구조 부재(본 실시 형태)와, 도전성이 부여되어 있지 않은 CFRP를 구비하는 구조 부재(종래)와에 있어서, 시험체에 대전류 파형을 인가하여 스파크가 발생하는 전류값의 차이를 비교하였다.

내뢰 시험의 시험 방법은, SAE international의 Aircraft Lightning Test Methods(ARP5416)의 Conducted Current Test의 기재를 따랐다. 시험체에 인가한 대전류 파형은, ARP5412A에 규정되는 번개 모의 전류의 컴포넌트 A 파형이다.

도 8은, 시험체의 판 두께 방향의 저항률[Ωcm]과 상대 스파크 발생 전류[％]와의 관계를 나타내고 있다. 판 두께 방향의 저항률 상이한 복수의 시험체에 대하여 내뢰 시험을 실시한 결과, 도 8에 나타내는 결과가 얻어졌다. 도 8에서는, 도전성이 부여되어 있지 않은 CFRP를 구비하는 구조 부재의 스파크 발생 전류값을 100％로 했을 때의 각 시험체의 스파크 발생 전류값을 비율로 나타내고 있다.

시험 결과에 따르면, 도전성이 부여되어, 판 두께 방향의 저항률이 500Ωcm 이하이면, 도전성이 부여된 CFRP를 구비하는 구조 부재는, 상대 스파크 발생 전류에 우위성이 나타나고, 특히 판 두께 방향의 저항률이 약 200Ωcm 이하이면, 상대 스파크 발생 전류의 2배 이상이 되는 것을 알 수 있었다.

즉, 판 두께 방향의 저항률이 500Ωcm 이하인 도전성이 부여된 CFRP에서는, 도전성이 부여되어 있지 않은 CFRP에 비하여, 착뢰시의 뇌전류에 의한 스파크의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인되고, 판 두께 방향의 저항률이 약 200Ωcm 이하인 도전성이 부여된 CFRP에서는, 착뢰시의 뇌전류에 의한 스파크의 발생을 더욱 억제할 수 있는 것이 확인되었다.

또한, 상술한 실시 형태는, 항공기의 주익과 일체화된 인테그럴 탱크라고 불리는 연료 탱크(13)의 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 연료가 유통하는 연료 전지의 용기(연료 탱크)에 사용되는 구조 부재에도 적용할 수 있다. 또한, 항공기의 몸통체에 설치되는 연료 탱크의 구조 부재, 항공기 이외의 자동차 등의 이동체에 탑재되는 연료 탱크의 구조 부재에도 적용 가능하다.

1 주익
3 상측 스킨
5 하측 스킨
7 전방측 스퍼
9 후방측 스퍼
11 리브
11a 절삭면
11A 플랜지
11B 웹
12 실란트
13 연료 탱크
15 보강재
17 매트릭스

Claims

보강재가 탄소 섬유를 포함하고, 매트릭스가 플라스틱을 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용한 구조 부재를 구비하고, 상기 매트릭스는 도전성이 부여되어 있고,
연료가 수용되는 내부에, 상기 구조 부재가 절삭되어 형성된 상기 구조 부재의 절삭면이 노출되어 있는, 연료 탱크.
제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 판 두께 방향의 저항률이 500Ωcm 이하인, 연료 탱크.
제1항 또는 제2항에 기재된 연료 탱크를 구조체로 하는, 주익.
제1항 또는 제2항에 기재된 연료 탱크를 구비하는, 항공기 몸통체.
제3항에 기재된 주익, 또는 제4항에 기재된 항공기 몸통체를 구비하는, 항공기.
제1항 또는 제2항에 기재된 연료 탱크를 구비하는, 이동체.