(57)【要約】【課題】飛しょう体の高速化および飛しょう時間の長期化に伴う空力加熱による高温環境下でも、レドームリングでレドーム本体部をシェルに固定し続けることができる飛しょう体用レドームを得ること。【解決手段】本発明にかかる飛しょう体用レドーム１２は、レドーム本体部１３と、レドームリング１４と、固定部品と、断熱材２２と、を備える。レドーム本体部１３は、目標に向けて電波誘導により飛しょうする飛しょう体１の先端部を構成し、飛しょう体１の機体に設置される。レドームリング１４は、機体の外部およびレドーム本体部１３の内部に嵌合される。固定部品は、レドームリング１４とレドーム本体部１３とを機械的に固定する。断熱材２２は、機体とレドーム本体部１３との接合部の外周面上に設けられる。【選択図】図１
2020201023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標に向けて電波誘導により飛しょうする飛しょう体の先端部を構成し、前記飛しょう体の機体に設置されるレドーム本体部と、
前記機体の外部および前記レドーム本体部の内部に嵌合されるレドームリングと、
前記レドームリングと前記レドーム本体部とを機械的に固定する固定部品と、
前記機体と前記レドーム本体部との接合部の外周面上に設けられる断熱材と、
を備えることを特徴とする飛しょう体用レドーム。
【請求項２】
前記レドームリングは、前記飛しょう体の前記先端部側から前記飛しょう体の後端部側に向かうスリットを有することを特徴とする請求項１に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項３】
前記レドームリングは、繊維強化プラスチックよりも耐熱温度が高く、前記機体を構成する材料に比して線膨張率が低い合金材料によって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項４】
前記レドームリングは、インバー、スーパーインバーおよびコバールの群から選択される少なくとも１つの合金材料であることを特徴とする請求項３に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項５】
前記レドームリングとの接合部に対応する前記レドーム本体部の外周面に設けられる熱応力緩和材をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項６】
前記熱応力緩和材は、前記レドーム本体部の線膨張率よりも小さい材料によって構成されることを特徴とする請求項５に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項７】
前記熱応力緩和材は、負の線膨張率を有する材料によって構成されることを特徴とする請求項６に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項８】
前記熱応力緩和材は、炭素繊維強化プラスチックまたはアラミド繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項６または７に記載の飛しょう体用レドーム。
【請求項９】
前記断熱材は、炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の飛しょう体用レドーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛しょう体のアンテナを保護する飛しょう体用レドームに関する。
【背景技術】
【０００２】
目標に向けて電波誘導にて飛しょうする飛しょう体が知られている。飛しょう体の先端部には、目標を検知するレーダ用アンテナが取り付けられている。飛しょう体は超音速または極超音速の高速で飛しょうし、目標に向けて急旋回を行う。そのため、空力加熱または空力荷重からアンテナを保護するように飛しょう体の本体部分であるシェルの先端部に飛しょう体用レドームが取り付けられる。特許文献１には、飛しょう体用レドームは、レドーム本体部と、レドームリングと、を有し、レドーム本体部は、シェルとレドームリングを介して接合されること、およびレドーム本体部とレドームリングとは接着剤で固定されることが開示されている。
【０００３】
レドーム本体部は、超音速または極超音速での飛しょうによって生じる空力加熱による高温環境下でも使用可能な耐熱性および耐熱衝撃性を有するとともに、アンテナで送受信される電波を透過させることができる誘電体材料によって構成される。レドーム本体部の構成材料の一例は、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）である。これらの材料は、耐熱性および耐熱衝撃性に優れたセラミックスであり、線膨張率は、０．１×１０-6／Ｋから２×１０-6／Ｋである。一方、シェルは、高剛性を有する鉄（Ｆｅ）またはアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。これらの材料の線膨張率は、１５×１０-6／Ｋから３０×１０-6／Ｋであり、レドーム本体部を構成する材料に比して高い。
【０００４】
このように、線膨張率の異なる異種材料であるレドーム本体部とシェルとを直接組み合わせた場合には、高温環境下において大きな熱応力が接合部に生じる。そのため、レドームリングは、レドーム本体部の線膨張率とシェルの線膨張率との間の中間の線膨張率を持つ材料で構成される。レドームリングには、高剛性を有し、線膨張率がシェルの線膨張率よりも小さい繊維強化プラスチック（Fiber-Reinforced  Plastic：以下、ＦＲＰという）が用いられる。ＦＲＰの線膨張率は、４×１０-6／Ｋから１０×１０-6／Ｋである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３８９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、飛しょう体の高速化および飛しょう時間の長期化に伴う空力加熱によってレドーム本体部およびレドームリングに生じる温度が従来と比べて高温になる。このような高温環境下では、上記の特許文献１に記載の技術では、レドーム本体部およびレドームリングに生じる温度が接着剤の耐熱温度、およびＦＲＰ製のレドームリングの耐熱温度を超えてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、飛しょう体の高速化および飛しょう時間の長期化に伴う空力加熱による高温環境下でも、レドームリングでレドーム本体部をシェルに固定し続けることができる飛しょう体用レドームを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる飛しょう体用レドームは、レドーム本体部と、レドームリングと、固定部品と、断熱材と、を備える。レドーム本体部は、目標に向けて電波誘導により飛しょうする飛しょう体の先端部を構成し、飛しょう体の機体に設置される。レドームリングは、機体の外部およびレドーム本体部の内部に嵌合される。固定部品は、レドームリングとレドーム本体部とを機械的に固定する。断熱材は、機体とレドーム本体部との接合部の外周面上に設けられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、飛しょう体の高速化および飛しょう時間の長期化に伴う空力加熱による高温環境下でも、レドームリングでレドーム本体部をシェルに固定し続けることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームを有する飛しょう体の構成の一例を示す一部透視図
【図２】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す斜視図
【図３】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す上面図
【図４】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す側面図
【図５】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングとの接合の一例を模式的に示す一部断面図
【図６】実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの機能を説明するための図
【図７】実施の形態における熱応力緩和材の機能を説明するための図
【図８】実施の形態における断熱材の機能を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかる飛しょう体用レドーム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。
【００１２】
実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームを有する飛しょう体の構成の一例を示す一部透視図である。
【００１３】
飛しょう体１は、目標に向けて電波誘導によって飛しょうする。飛しょう体１は、機体であるシェル１１と、飛しょう体用レドーム１２と、を備える。
【００１４】
シェル１１は、飛しょう体１の本体部分である。シェル１１の構成材料の一例は、鉄またはアルミニウムである。これらの材料の線膨張率は、１５×１０-6／Ｋから３０×１０-6／Ｋである。シェル１１の先端部には、アンテナ１１１が設けられる。アンテナ１１１は、目標までの距離および方位を計測するための電波を送受信する。
【００１５】
飛しょう体用レドーム１２は、レドーム本体部１３と、レドームリング１４と、を有する。レドーム本体部１３は、空力抵抗を減らして高速で飛しょうできるように、先端部が尖った流線型をなし、外径が先端部から後端部に向かって滑らかに拡がり、後端部が開口して中空となっている。中空の後端部がレドームリング１４を介してシェル１１の先端部と接続される。このように、シェル１１の先端部をレドーム本体部１３で覆うことで、シェル１１の先端部に設けられるアンテナ１１１が保護される。レドーム本体部１３は、空力加熱による温度上昇に対する耐熱性および耐熱衝撃性を有するとともに、電波透過性を有する誘電体のセラミックス材料によって構成される。誘電体のセラミックス材料の一例は、アルミナ、コージェライト、ヒューズドシリカ、シリコンナイトライドである。これらの材料の線膨張率は、０．１×１０-6／Ｋから２×１０-6／Ｋである。
【００１６】
レドームリング１４は、シェル１１とレドーム本体部１３とを接続する部材である。図２は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す斜視図である。図３は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す上面図である。図４は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの構成の一例を示す側面図である。図２および図３に示されるように、レドームリング１４は、飛しょう体１の先端部側および後端部側が開放された円筒形状を有するリングである。図４に示されるように、レドームリング１４は、シェル１１の外部に嵌合されるシェル嵌合部１４ａと、レドーム本体部１３の内部に嵌合されるレドーム嵌合部１４ｂと、を有する。シェル嵌合部１４ａでは、レドームリング１４の軸方向で半径は一定である。円筒形状のシェル嵌合部１４ａの側面には、円周方向に沿って、固定部品によってシェル１１と固定されるための複数の貫通孔１４１が設けられている。レドーム嵌合部１４ｂでは、レドーム本体部１３の内面と接触するように飛しょう体１の先端部に向かって半径が減少している。円筒形状のレドーム嵌合部１４ｂの側面にも、レドーム本体部１３に固定部品で固定されるための複数の貫通孔１４２が設けられている。
【００１７】
超音速または極超音速で飛しょうし、空力加熱によって高温になる飛しょう体１では、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の温度がＦＲＰの耐熱温度を超えてしまうことがある。そのため、本実施の形態では、ＦＲＰよりも耐熱温度が高く、シェル１１を構成する材料に比して線膨張率が低い合金材料によって、レドームリング１４が構成される。このような合金材料を、以下では、低熱膨張合金という。低熱膨張合金の一例は、鉄と３６ｗｔ％のニッケルとを含む合金であるインバー、鉄と３２ｗｔ％のニッケルと４ｗｔ％のコバルトとを含む合金であるスーパーインバー、鉄と２９ｗｔ％のニッケルと１７ｗｔ％のコバルトとを含む合金であるコバールである。これらの線膨張率は０．８×１０-6／Ｋから５．４６×１０-6／Ｋである。
【００１８】
図５は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングとの接合の一例を模式的に示す一部断面図であり、図１の領域Ｒを拡大した断面図である。この図では、シェル１１の図示を省略している。本実施の形態では、図５に示されるように、固定部品３１を用いて、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間を機械的に固定している。これは、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の温度が、空力加熱によって接着剤の耐熱温度を超えてしまうため、接着剤で固定することができないからである。固定部品３１の一例は、ピンまたはボルトである。すなわち、本実施の形態では、例えば、ピンまたはボルトを用いて、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間を締結する。レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の場合と同様に、レドームリング１４はシェル１１との間で固定部品によって固定される。
【００１９】
空力加熱によって加熱された温度では、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の線膨張率差で生じる熱応力によってレドーム本体部１３が破壊されてしまう虞がある。そのため、図２から図５に示されるように、レドームリング１４の剛性を下げる複数のスリット１４３が、レドームリング１４に設けられる。図４に示されるように、複数のスリット１４３の一方の端部である開放端部１４３ａは、レドームリング１４の円筒の先端部側の端面に位置しており、他方の端部である閉端部１４３ｂは、シェル嵌合部１４ａ内に設けられている。スリット１４３は、一例として、レドームリング１４の軸と平行な方向に設けられる。このスリット１４３によって、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の線膨張率差によって生じる熱応力が緩和される。
【００２０】
図１に戻り、飛しょう体１は、熱応力緩和材２１と、断熱材２２と、をさらに備える。熱応力緩和材２１は、レドーム本体部１３のレドームリング１４との接合部付近の外周面上に配置される。熱応力緩和材２１は、リング状であり、レドームリング１４との接合部の外周面上に巻きつけるように積層される。すなわち、熱応力緩和材２１は、レドーム本体部１３のレドームリング１４との嵌合範囲の外周面上に配置される。
【００２１】
熱応力緩和材２１は、空力加熱によって加熱された温度でレドーム本体部１３との間の線膨張率の違いによって、レドーム本体部１３の後端部に圧縮応力を生じさせる部材である。熱応力緩和材２１は、レドーム本体部１３の線膨張率よりも小さい材料によって構成される。熱応力緩和材２１の線膨張率は、レドーム本体部１３の線膨張率よりも小さく、０に近い材料であることが望ましい。熱応力緩和材２１は、負の線膨張率を有する材料であってもよい。熱応力緩和材２１の一例は、線膨張率が−０．７×１０-6／Ｋから−１．２×１０-6／Ｋである炭素繊維を用いたＦＲＰ、あるいは線膨張率が−４×１０-6／Ｋであるアラミド繊維を用いたＦＲＰである。
【００２２】
断熱材２２は、熱応力緩和材２１およびレドームリング１４の外周面上に配置される。すなわち、断熱材２２は、レドーム本体部１３とレドームリング１４との接合部と、レドームリング１４の全体と、を含む領域を覆うように、巻き付けて積層される。断熱材２２は、シェル１１との間の固定構造の補強、およびレドームリング１４の温度上昇を防ぐ部材である。断熱材２２の一例は、炭素繊維を用いたＦＲＰ、すなわち炭素繊維強化プラスチックである。以下では、炭素繊維を用いたＦＲＰをＣＦＲＰ（Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics）という。
【００２３】
つぎに、このような構成を有する飛しょう体１の飛しょう中の接合部の部品の作用について説明する。
【００２４】
図６は、実施の形態にかかる飛しょう体用レドームが備えるレドームリングの機能を説明するための図である。この図では、シェル１１の図示を省略している。飛しょう体１が飛しょうしているときには空力加熱によってレドーム本体部１３およびレドームリング１４は共に熱膨張によって半径方向に膨張する。しかし、線膨張率が異なるため、レドーム本体部１３の熱膨張１０２に対してレドームリング１４の熱膨張１０１の方が大きくなり、レドーム本体部１３に熱応力が発生する。レドームリング１４にスリット１４３が設けられない場合には、レドーム本体部１３に発生する熱応力によって、レドーム本体部１３が破壊されてしまう。
【００２５】
一方、本実施の形態では、レドームリング１４にスリット１４３が設けられているので、スリット１４３がレドームリング１４に設けられない場合に比して、レドームリング１４の剛性が下がる。その結果、レドーム本体部１３に生じる熱応力が緩和され、レドーム本体部１３の破壊が抑制される。なお、スリット１４３の閉端部１４３ｂの位置がレドーム本体部１３の後端部の位置よりもシェル１１側に配置されるように、スリット１４３の長さを長くすることで、レドーム本体部１３と接するレドームリング１４の部位の剛性がより下がる。つまり、スリット１４３の長さを長くするほど、レドーム本体部１３に働く熱応力を緩和することが可能となる。
【００２６】
図７は、実施の形態における熱応力緩和材の機能を説明するための図であり、図１の領域Ｒを拡大した断面図である。この図では、シェル１１の図示を省略している。空力加熱によってレドーム本体部１３およびレドームリング１４の温度が上昇しているときには、レドームリング１４の熱膨張１０１とレドーム本体部１３の熱膨張１０２との間の熱膨張差によって、引っ張りの熱応力１０４が生じる。図６に示されるように、レドームリング１４にスリット１４３が設けられた場合でも、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の熱膨張差によって生じる熱応力にレドーム本体部１３が耐えられないと、レドーム本体部１３は破損する。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、上記したように、レドームリング１４のレドーム本体部１３への嵌合範囲に対応するレドーム本体部１３の外周面に熱応力緩和材２１を設けた。このような構造では、レドーム本体部１３の熱膨張１０２とレドームリング１４の熱膨張１０１との差によってレドーム本体部１３に対して引っ張りの熱応力１０４が生じる。しかし、熱応力緩和材２１の熱膨張１０５とレドーム本体部１３の熱膨張１０２との差によってレドーム本体部１３に圧縮の熱応力１０３が生じる。つまり、レドームリング１４のレドーム本体部１３への嵌合範囲に対応するレドーム本体部１３には、引っ張りの熱応力１０４だけではなく、熱応力緩和材２１を設けたことによる圧縮の熱応力１０３も働く。その結果、レドームリング１４には、引っ張りの熱応力１０４から圧縮の熱応力１０３を除いた分の熱応力がかかる。この熱応力は、引っ張りの熱応力１０４よりも小さくなる。すなわち、熱応力緩和材２１を設けたことによって、レドームリング１４によって生じる熱応力が緩和される。
【００２８】
なお、熱応力緩和材２１が負の線膨張率を有すると、温度上昇によって熱応力緩和材２１が収縮するので、熱応力緩和材２１が正の線膨張率を有する場合に比して、レドーム本体部１３の熱膨張を抑えることが可能になる。
【００２９】
図８は、実施の形態における断熱材の機能を説明するための図であり、図１の領域Ｒを拡大した断面図である。この図では、シェル１１の図示を省略している。本実施の形態では、レドームリング１４にスリット１４３を設けているので、レドームリング１４の強度が低下する。そのため、レドームリング１４を介したシェル１１とレドーム本体部１３との間の接合部の外周面を覆うように、断熱材２２を巻き付けて積層する。このとき、レドームリング１４からレドーム本体部１３にかけて、断熱材２２を一体成形することによって、断熱材２２でも荷重を受けることができる。つまり、レドーム本体部１３、レドームリング１４およびシェル１１を固定する固定構造が補強される。
【００３０】
断熱材２２が、炭化アブレータと呼ばれるＣＦＲＰである場合には、断熱材２２は、１０００℃を超える温度で加熱されると、樹脂が熱分解を起こし、表面に強固な炭化層が形成される。また、熱分解時に発生するガスの吸熱反応によって母材が冷却される。さらに、熱分解によって発生するガスによって表面に境界層が形成され、表面の温度勾配を緩やかにして、断熱材２２によって覆われているレドームリング１４の加熱が軽減される。
【００３１】
このような機構によって、空力加熱によって熱量１０６が外部から飛しょう体１の接続部に加えられるが、レドーム本体部１３の接合部、レドームリング１４および熱応力緩和材２１を含む内部に伝わる熱量１０７を軽減し、構成部品の温度上昇を軽減することができる。
【００３２】
実施の形態では、ＦＲＰよりも耐熱温度が高く、シェル１１を構成する材料よりも線膨張率が低い低熱膨張合金によって、レドームリング１４が構成される。レドームリング１４と、レドーム本体部１３およびシェル１１と、の間が、固定部品で機械的に固定される。また、レドームリング１４との接合部付近のレドーム本体部１３の外周面上に熱応力緩和材２１が配置され、熱応力緩和材２１およびレドームリング１４の外周面上に断熱材２２が配置される。これによって、飛しょう体１が空力加熱によってＦＲＰの耐熱温度よりも高温になっても、シェル１１およびレドーム本体部１３とレドームリング１４との間で強固な接続を実現することができる。
【００３３】
また、空力加熱によって飛しょう体１が高温になると、レドーム本体部１３とレドームリング１４との間の熱膨張差によって発生する引っ張りの熱応力１０４が生じるが、熱応力緩和材２１とレドーム本体部１３との間の熱膨張差によって、レドーム本体部１３に生じる圧縮の熱応力１０３によって、引っ張りの熱応力１０４が緩和される。つまり、飛しょう体の高速化および飛しょう時間の長期化に伴う空力加熱による高温環境下でも、レドーム本体部１３の破壊を抑制しつつ、レドームリング１４でレドーム本体部１３をシェル１１に固定し続けることができるという効果を有する。
【００３４】
さらに、レドームリング１４を介したシェル１１とレドーム本体部１３との間の接合部の外周面が断熱材２２によって覆われるので、断熱材２２によって覆われる飛しょう体１を構成する部材の温度上昇を抑制することができる。特に、断熱材２２が、炭化アブレータと呼ばれるＣＦＲＰである場合には、空力加熱による加熱によって、樹脂が熱分解を起こし、表面に強固な炭化層が形成されるとともに、熱分解時に発生するガスの吸熱反応によって母材が冷却され、さらに熱分解によって発生するガスによって表面に境界層が形成される。これによって、断熱材２２で覆われる部分の加熱が軽減される。
【００３５】
また、レドームリング１４の先端部側からシェル嵌合部１４ａに至るスリット１４３を設けた。これによって、レドームリング１４の剛性を低下させ、空力加熱による温度上昇で生じるレドームリング１４に発生する引っ張りの熱応力が緩和される。
【００３６】
さらに、レドームリング１４からレドーム本体部１３にかけて、断熱材２２を一体成形した。これによって、断熱材２２でも荷重を受けることができるようになり、スリット１４３を設けたことによって強度が低下したレドームリング１４の強度を補強することができる。
【００３７】
以上の実施の形態に示した構成は、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。
【符号の説明】
【００３８】
１  飛しょう体、１１  シェル、１２  飛しょう体用レドーム、１３  レドーム本体部、１４  レドームリング、１４ａ  シェル嵌合部、１４ｂ  レドーム嵌合部、２１  熱応力緩和材、２２  断熱材、３１  固定部品、１１１  アンテナ、１４１，１４２  貫通孔、１４３  スリット、１４３ａ  開放端部、１４３ｂ  閉端部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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