(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
惑星の大気圏に突入する突入カプセルであって、
繊維強化複合材料により形成される頭頂部と、
前記頭頂部の外周側に位置する外側積層部と、を有し、
前記繊維強化複合材料は、
前記頭頂部の外表面に垂直な方向に積層された繊維布と、
前記繊維布の熱伝導率よりも熱伝導率が低く複数層の前記繊維布を貫通する繊維糸と、
前記繊維布および前記繊維糸の繊維間に充填されることで、前記繊維布および前記繊維糸と一体化した樹脂と、を有し、
前記繊維布は、ピッチ系の連続糸により形成され、
前記繊維糸は、前記繊維布の熱伝導率より低いピッチ系の糸であり、
前記外側積層部は、前記突入カプセルの軸線から外周側に向く方向において、前記突入カプセルの外表面に対して鋭角で交差する方向に延びて積層する外側積層部用の繊維布を有し、
前記頭頂部と前記外側積層部とは、それぞれ別個に成形された後に互いに接合される、ことを特徴とする突入カプセル。
【請求項２】
突入カプセルの製造方法であって、
繊維強化複合材料により形成される頭頂部と、該頭頂部の外周側に位置する外側積層部とは、それぞれ別個に成形された後に互いに接合され、
前記頭頂部の製造方法は、頭頂部の原型となる繊維構造体を、繊維強化複合材料により形成する繊維構造体形成ステップと、
前記繊維構造体に樹脂を含浸させる含浸ステップと、を有し、
前記繊維構造体形成ステップは、
前記頭頂部の外表面に垂直となる方向にピッチ系の連続糸により形成された繊維布を積層する積層ステップと、
複数層の繊維布を貫通するように前記繊維布の熱伝導率よりも熱伝導率が低いピッチ系の糸である繊維糸を配置する糸配置ステップと、を有し、
前記外側積層部は、前記突入カプセルの軸線から外周側に向く方向において、外側積層部用の繊維布を前記突入カプセルの外表面に対して鋭角で交差する方向に延ばして積層されて成形される、ことを特徴とする突入カプセルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、惑星（例えば地球や火星）の大気圏に突入させる突入カプセル、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
突入カプセルが、惑星の大気圏に突入する時、大気（空気）は、突入カプセルに対し速度を持つ。この速度で、大気が、突入カプセルに衝突するため、大気の運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、高温化する。従って、大気は、高温化して突入カプセルの外表面を加熱する。これを、いわゆる空力加熱現象という。
【０００３】
そのために、突入カプセルには、熱防御系が設けられる。熱防御系は、突入カプセルが大気中を高速飛翔している時に、空力加熱現象から、内部のペイロードや電装品を保護する。
【０００４】
熱防御系として、炭化アブレータを用いることが一般的である。炭化アブレータは、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を、積層した炭素繊維布（即ち、炭素繊維クロス）で補強したものである。この炭化アブレータは、加熱されると、樹脂の熱分解反応により、強固な炭化層が形成される。炭化層は、ほぼ炭素からなるので、耐熱温度が高く、輻射放熱能力が優れている。一方、熱分解反応により発生したガスは、その圧力により、積層された炭素繊維布の層間剥離を引き起こす可能性がある。炭素繊維は、流体抵抗となるからである。
【０００５】
層間剥離の問題を解決するために、下記の特許文献１では、積層する炭素繊維布に、ガス抜き用のスリットを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２８９７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、積層する炭素繊維布に、ガス抜き用のスリットを多数形成した場合には、その分、強度が低下する可能性もあり得る。そのため、ガス抜き用のスリットを形成することなく、積層された炭素繊維布に層間剥離が生じる問題を解決することが望まれる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ガス抜き用のスリットを形成しなくても、積層された炭素繊維布の層間剥離を防止でき、かつ、断熱性を高めることができる突入カプセルを提供することにある。また、本発明の別の目的は、前記突入カプセルの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によると、惑星の大気圏に突入する突入カプセルであって、
繊維強化複合材料により形成される頭頂部と、
前記頭頂部の外周側に位置する外側積層部と、を有し、
前記繊維強化複合材料は、 
前記頭頂部の外表面に垂直な方向に積層された繊維布と、
前記繊維布の熱伝導率よりも熱伝導率が低く複数層の前記繊維布を貫通する繊維糸と、
前記繊維布および前記繊維糸の繊維間に充填されることで、前記繊維布および前記繊維糸と一体化した樹脂と、を有し、
前記繊維布は、ピッチ系の連続糸により形成され、
前記繊維糸は、前記繊維布の熱伝導率より低いピッチ系の糸であり、
前記外側積層部は、前記突入カプセルの軸線から外周側に向く方向において、前記突入カプセルの外表面に対して鋭角で交差する方向に延びて積層する外側積層部用の繊維布を有し、
前記頭頂部と前記外側積層部とは、それぞれ別個に成形された後に互いに接合される、ことを特徴とする突入カプセルが提供される。
【００１０】
本発明の突入カプセルでは、繊維布が、前記頭頂部の外表面に垂直な方向に積層されるので、断熱性を高めることができる。即ち、繊維布の熱伝導率は、樹脂の熱伝導率よりも高いため、熱は、繊維布の積層方向（前記頭頂部の外表面に垂直な方向）よりも、繊維布に沿った方向に分散・伝達しやすくなる。これにより、頭頂部の断熱性が高まる。
また、本発明の突入カプセルでは、前記頭頂部の外表面に垂直な方向に、繊維布を積層しても、繊維布の層間剥離を防止できる。即ち、従来では、前記頭頂部の外表面に垂直な方向に繊維布を積層した場合、繊維布が流体抵抗となるので、繊維布の層間での熱分解ガス圧により、繊維布の層間剥離が生じやすい。これに対し、本発明では、繊維糸が、複数層の前記繊維布を貫通するので、樹脂から発生する熱分解ガスが、繊維糸に沿って繊維布の層間を通過しやすくなり、これにより、熱分解ガスの圧力による繊維布の層間剥離を防止できる。
【００１２】
この構成により、次のように、突入カプセルの耐熱性を高く維持できる。
頭頂部の外表面に沿う方向に延びている前記繊維布の熱伝導率を、前記繊維糸の熱伝導率よりも高くすることで、頭頂部の外表面に沿って熱が伝わりやすくなる。従って、頭頂部の外表面において、高温となる箇所が局所的に発生することを防止できるので、突入カプセルの耐熱性を高く維持できる。
さらに、前記繊維糸の熱伝導率を、前記繊維布の熱伝導率よりも低くすることで、突入カプセルの厚み方向（頭頂部の外表面と垂直な方向）に熱が伝わり難くなる。従って、突入カプセルにおいて、樹脂が熱分解する厚み方向範囲を抑えることができるので、この観点からも、突入カプセルの耐熱性を高く維持できる。
【００１３】
また、上記別の目的を達成するため、本発明によると、突入カプセルの製造方法であって、
繊維強化複合材料により形成される頭頂部と、該頭頂部の外周側に位置する外側積層部とは、それぞれ別個に成形された後に互いに接合され、
前記頭頂部の製造方法は、頭頂部の原型となる繊維構造体を、繊維強化複合材料により形成する繊維構造体形成ステップと、
前記繊維構造体に樹脂を含浸させる含浸ステップと、を有し、
前記繊維構造体形成ステップは、
前記頭頂部の外表面に垂直となる方向にピッチ系の連続糸により形成された繊維布を積層する積層ステップと、
複数層の繊維布を貫通するように前記繊維布の熱伝導率よりも熱伝導率が低いピッチ系の糸である繊維糸を配置する糸配置ステップと、を有し、
前記外側積層部は、前記突入カプセルの軸線から外周側に向く方向において、外側積層部用の繊維布を前記突入カプセルの外表面に対して鋭角で交差する方向に延ばして積層されて成形される、ことを特徴とする突入カプセルの製造方法が提供される。
【００１４】
本発明の突入カプセルの製造方法では、積層ステップにおいて、前記頭頂部の外表面に垂直な方向に繊維布を積層するので、上述のように断熱性を高めることができる。
また、糸配置ステップにおいて、複数層の繊維布を貫通するように繊維糸を配置するので、上述のように、樹脂から発生する熱分解ガスが、繊維糸に沿って繊維布の層間を通過しやすくなり、これにより、熱分解ガスの圧力による繊維布の層間剥離を防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
繊維強化複合材料を用いた突入カプセルの頭頂部において、ガス抜き用のスリットを形成しなくても、積層された炭素繊維布の層間剥離を防止でき、かつ、断熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による突入カプセルの断面図である。
【図２】図１における頭頂部の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態による突入カプセルの頭頂部の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態の突入カプセルの底部２０の断面図である。即ち、図１は、突入カプセルの軸線Ｃを含む平面による断面図である。突入カプセルの底部２０は、図１に示すように、その外表面が下方に突出した概略球面状をなしている。なお、図１の断面図は、前記軸線Ｃを含む平面の向きによらない。即ち、前記軸線Ｃを含むいずれの平面による突入カプセルの断面図であっても、図１に示す構成となる。図２は、図１における頭頂部１０の拡大図である。以下、図１、図２に基づいて、突入カプセルの構造（材料や配置や材料の数など）を説明する。
【００１９】
図１に示すように、突入カプセルの頭頂部１０（即ち、先端部）は、前記底部２０の中央部に位置し、繊維強化複合材料により形成される。この繊維強化複合材料は、繊維布３、繊維糸５および樹脂７からなる。
【００２０】
繊維布３は、縦横に織ったクロスであり、頭頂部１０の外表面１０ａに垂直な方向に積層される強化材である。従って、各層の繊維布３の面は、曲面状（この例では球面状）の外表面１０ａに沿った方向（言い換えると、軸線Ｃを回る周方向と、該周方向と直交する外表面１０ａに沿った方向）に延びる。即ち、図１、図２の断面図において、各層の繊維布３の面を示す実線は、頭頂部１０の外表面１０ａを示す破線（曲線）と平行となっている。
繊維布３の熱伝導率は、好ましくは、繊維糸５の熱伝導率よりも高い。即ち、繊維布３は、高い熱伝導率を持つのがよい。例えば、高い弾性率を持つ連続糸は、一般に高い熱伝導率を持つので、繊維布３は、高い弾性率（即ち、高い熱伝導率）を持つＰＡＮ系やピッチ系の連続糸により形成されたものである。このように、繊維布３が、高い熱伝導率を持つことで、頭頂部１０の外表面１０ａに沿って燃焼ガス熱が伝達しやすくなり、頭頂部１０の外表面１０ａにおいて、高温となる箇所が局所的に発生することが防止される。従って、例えば、乱流等により、外表面１０ａにおいて加熱率に分布が生じても、熱負荷の平準化を図れる。
【００２１】
繊維糸５は、複数層の繊維布３を貫通する。本実施形態では、多数の繊維糸５が、頭頂部１０（即ち、繊維強化複合材料）の全体にわたって適切な密度で（好ましくは、密に）配置される。各繊維糸５は、複数層の繊維布３を貫通するように、前記垂直な方向に延びている。好ましくは、各繊維糸５の一端は、最下層（図１、図２の最も下側の層）の繊維布３の位置にあるか、または、該繊維布３よりも突入カプセルの前方側（図１の下側）の位置にあり、各繊維糸５の他端は、最上層（図１、図２の最も上側の層）の繊維布３の位置にあるか、または、該繊維布３よりも突入カプセルの後方側（図１の上側）の位置にある。また、好ましくは、繊維糸５は、前記垂直な方向に直線的に又はほぼ直線的に延びている。
繊維糸５の熱伝導率は、好ましくは、繊維布３の熱伝導率よりも低い。即ち、繊維糸５は、低い熱伝導率を持つのがよい。例えば、低い熱伝導率を持つ繊維糸５は、ピッチ系のＸＮ−０５である。このように、繊維糸５が、低い熱伝導率を持つことで、前記垂直な方向に熱が伝達し難くなるので、前記垂直な方向（即ち、頭頂部１０の厚み方向）において、燃焼ガス熱による樹脂７が熱分解される範囲が小さく抑えられる。
【００２２】
樹脂７は、繊維布３および繊維糸５の繊維間に充填されることで、繊維布３および繊維糸５と一体化される。後述するように、樹脂７は、繊維布３および繊維糸５で形成されたプリフォーム（繊維構造体）に含浸させられるので、プリフォームに含浸させる時（即ち、硬化前）の樹脂７の粘度は、プリフォームの内部全体に含浸する程度に低い。このような低粘度の樹脂７として、例えば、フラン樹脂を用いることができる。なお、図１、図２において、破線は、樹脂７の表面を示し、下側の樹脂７の表面は、頭頂部１０の外表面１０ａでもある。
【００２３】
図３は、上述した構造を有する繊維強化複合材料で形成された頭頂部１０の製造方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態による突入カプセルの製造方法は、繊維構造体形成ステップＳ１および含浸ステップＳ２を有する。
【００２４】
繊維構造体形成ステップＳ１では、頭頂部１０の原型となる繊維構造体（プリフォーム）を、繊維強化複合材料により形成する。繊維構造体形成ステップＳ１は、積層ステップＳ１１と糸配置ステップＳ１２とからなる。
積層ステップＳ１１では、例えば、頭頂部１０の外表面１０ａに垂直となる方向に繊維布３を積層する。具体的には、頭頂部１０の外表面１０ａと整合した外表面を有する頭頂部１０の型を用意し、該型の該外表面に、繊維布３を、複数枚、積層する。これにより、頭頂部１０の外表面１０ａに垂直となる方向に繊維布３を積層できる。
糸配置ステップＳ１２では、複数層の繊維布３を貫通するように繊維糸５を配置する。即ち、複数層の繊維布３を前記垂直な方向に繊維糸５が貫通した状態に繊維糸５を配置する。具体的には、多数本の繊維糸５を、所定の密度で、複数層の繊維布３を前記垂直な方向に貫通した状態に配置する。
【００２５】
含浸ステップＳ２では、前記繊維構造体に樹脂７を含浸させて硬化させる。例えば、含浸ステップＳ２を、ＲＴＭ等のＬＣＭ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）により行う。即ち、ＬＣＭでは、繊維構造体形成ステップＳ１で形成した繊維構造体（プリフォーム）を、バキュームバッグで密閉し、バキュームバッグ内を真空にし、この状態で、バキュームバッグ内へ樹脂７を流入させ繊維構造体に含浸させ、繊維構造体に含浸させられた樹脂７を加熱により硬化させる。これにより、頭頂部１０が製造される。
【００２６】
なお、図３に示す製造方法で使用される繊維布３、繊維糸５および樹脂７の材料や配置や数などは、図１、図２を参照して上述したものと同じであってよい。
【００２７】
上述した本発明の実施形態によると以下の効果（１）〜（７）が得られる。
【００２８】
（１）繊維布３が、頭頂部１０の外表面１０ａに垂直な方向に積層されるので、断熱性を高めることができる。即ち、繊維布３の熱伝導率は、繊維糸５の熱伝導率よりも高いため、熱は、繊維布３の積層方向（頭頂部１０の外表面１０ａに垂直な方向）よりも、繊維布３に沿った方向に分散・伝達しやすくなる。これにより、頭頂部１０の断熱性が高まる。
【００２９】
（２）頭頂部１０の外表面１０ａに垂直な方向に、繊維布３を積層しても、繊維布３の層間剥離を防止できる。即ち、従来では、頭頂部１０の外表面１０ａに垂直な方向に、繊維布３を積層した場合には、繊維布３が流体抵抗となるので、繊維布３の層間でのガス圧により、繊維布３の層間剥離が生じやすいのに対し、上述の実施形態では、繊維糸５が、複数層の繊維布３を貫通するので、樹脂７から発生する熱分解ガスが、繊維糸５に沿って繊維布３の層間を通過しやすくなり、これにより、熱分解ガスの圧力による繊維布３の層間剥離を防止できる。
【００３０】
（３）頭頂部１０の外表面１０ａに沿う方向に延びている繊維布３の熱伝導率を、繊維糸５の熱伝導率よりも高くすることで、頭頂部１０の外表面１０ａに沿って熱が伝わりやすくなる。従って、頭頂部１０の外表面１０ａにおいて、高温となる箇所が局所的に発生することを防止できるので、突入カプセルの耐熱性を高く維持できる。
さらに、繊維糸５の熱伝導率を、繊維布３の熱伝導率よりも低くすることで、突入カプセルの厚み方向（頭頂部１０の外表面１０ａと垂直な方向）に熱が伝わり難くなる。従って、突入カプセルにおいて、樹脂７が熱分解する厚み方向範囲を抑えることができるので、この観点からも、突入カプセルの耐熱性を高く維持できる。
【００３１】
（４）頭頂部１０の外表面１０ａに沿って繊維布３の面が延びているので、外表面１０ａに沿って高速に流れる高温外気によって頭頂部１０が機械的に損耗する量を低減することができる。
【００３２】
（５）さらに、繊維糸５が、積層された繊維布３を貫通するように配置されているので、繊維糸５により、繊維布３の積層方向における頭頂部１０の強度が高まる。
【００３３】
（６）本実施形態では、頭頂部１０の原型となるプリフォームに含浸させる樹脂７として、低粘度の樹脂７を用いるので、プリフォームの内部全体に樹脂７を十分に含浸させることができる。
【００３４】
（７）ＬＣＭにより、プリフォームへの樹脂７含浸を行うので、製造コストのかさむオートクレーブ等の加圧硬化過程が不要になる。
【００３５】
なお、突入カプセルの底部２０は、頭頂部１０の外周側に、外側積層部９を備える。外側積層部９は、軸線Ｃから外周側に向く方向において、底部２０の外表面に対して鋭角θ（図１を参照）で交差する方向に延びる繊維布８を積層してなる。外側積層部９は、例えば．熱硬化性樹脂を含浸した繊維布８を積層し、その後、加圧および加熱後による硬化処理を施すことで、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）化したものである。また、外側積層部９は、頭頂部１０と別個に成形した後、頭頂部１０に、例えば硬化処理（即ち、外側積層部９と頭頂部１０の接合面の樹脂を加熱で溶かした後、硬化させる）により接合してよい。外側積層部９と頭頂部１０により、内部空間１１が形成され、この内部空間１１には、搭載機器が収容される。また。図１に示すように、断熱材１３が、頭頂部１０と外側積層部９の内側面に接触するように設けられる。
【００３６】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３７】
３  繊維布、５  繊維糸、７  樹脂、９  外側積層部、
１０  突入カプセルの頭頂部、１０ａ  頭頂部の外表面、
１１  内部空間、１３  断熱材、２０  突入カプセルの底部
【図１】
0005478127.tif 000002
【図２】
0005478127.tif 000003
【図３】
0005478127.tif 000004