(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダマトリックス内に配置された高弾性率複合材用ファイバと低弾性率複合材用ファイバとの組み合わせを有する複合材積層体（60,70）から構成され、かつ、上部壁領域及び下部壁領域（40,42）と、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）と、を有し、さらにフラップ方向の曲げ中立軸と長手方向軸と（54,25）、を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）であって、この複合材スパー（10）は、
前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）までそれぞれ延びた端部部分（62ea,62eb）を有するクロスプライ積層体（60）を前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて有し、前記上部壁領域（40）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62ea）が、前記下部壁領域（42）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62eb）に重なりあって、前記クロスプライ積層体（60）を一体とするような前記前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）における構造的ジョイント（68）を形成しており、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記長手方向軸（25）に対して±42゜から±38゜の範囲内に配列された高弾性率複合材用ファイバを有し、
前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）にはそれぞれ、少なくとも１つの一方向積層体（70）が前記複数のクロスプライ積層体（60）の間に間挿されており、前記一方向積層体（70）には、高弾性率複合材用ファイバと、低弾性率複合材用ファイバと、が組み合わされて含まれており、これらのファイバは、実質的に前記長手方向軸（25）に平行に配列されていて、
前記構造的ジョイントは、前記フラップ方向曲げ中立軸（54）に対して低い曲げ応力領域に配置されており、かつ、前記一方向積層体（70）は、前記フラップ方向曲げ中立軸（54）に対して高い曲げ応力領域に位置決めされ、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記フラップ方向曲げ中立軸及び前記長手方向軸（54,25）に対してねじれ強度及び軸方向強度を組み合わせて付与しており、かつ、それらの前記ファイバ配列は、重ね合わされた一方向積層体（70）と熱的に等価となるようにされていて、
前記一方向積層体（70）の前記低弾性率複合材料用ファイバにより、耐損傷性が向上されていることを特徴とする複合材スパー（10）。
【請求項２】
前記前部円錐領域及び前記後部円錐領域（45,47）は、さらに変移小領域及び閉塞小領域（50,52）を画成しており、前記一方向積層体（70）は、複数の前記変移小領域（50）にまで延びた複数の端部領域（72e）を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合材スパー（10）。
【請求項３】
前記クロスプライ積層体（60）は、最も内側と、最も外側と、中間部の積層体（60i,60o,60m）を、前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）と、前記変移小領域（50）と、において形成していることを特徴とする請求項２に記載の複合材スパー（10）。
【請求項４】
前記最も内側と、前記最も外側と、前記中間部のクロスプライ積層体（60i,60o,60m）は、組合わされて前記閉塞小領域（52）において一定厚の高弾性率ファイバ層を形成していることを特徴とする請求項３に記載の複合材スパー（10）。
【請求項５】
前記一方向積層体（70）は、高弾性率ファイバ強化体と低弾性率ファイバ強化体の交互層（74）を有しており、少なくとも一つの前記高弾性率ファイバ強化体（74H）が、前記低弾性率強化体（74L）の複数の層の間に間挿されていて、熱歪み特性を向上させているとともに、耐損傷性を向上させていることを特徴とする請求項１に記載の複合材スパー（10）。
【請求項６】
前記低弾性率強化体層（74L）は、複数の前記クロスプライ積層体（60）に隣接して配置されていることを特徴とする請求項５に記載の複合材スパー（10）。
【請求項７】
一方向積層体（70）は、互い違いになった複数の端部部分（72e）を有しており、これらの端部（72e）は、前記変移小領域（50）にまで延びていることを特徴とする請求項２に記載の複合材スパー（10）。
【請求項８】
前記クロスプライファイバは、前記長手方向軸（25）に対して40゜以上で配列されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材スパー（10）。
【請求項９】
前記構造的ジョイント（68）は、内部において互い違いに分散されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材スパー（10）。
【請求項１０】
前記一方向積層体（70）の前記ファイバは、グラファイト材料及びガラスファイバ材料から構成されているとともに、前記クロスプライ積層体（60）の前記ファイバは、グラファイト材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材スパー（10）。
【請求項１１】
前記複合材スパー（10）は、前記交互配置された高弾性率ファイバ強化体層と低弾性率ファイバ強化体層の間に間挿された強化織布（80）のプライをさらに有し、前記強化織布（80）のそれぞれのプライは、それぞれ前記長手方向軸（25）に対して80゜以上で配列された低弾性率ファイバを有していることを特徴とする請求項５に記載の複合材スパー（10）。
【請求項１２】
前記各層（74）は、複数の一方向プライ（72）を有しており、前記強化織布（80）プライは、前記一方向プライ（72）の間に間挿されていることを特徴とする請求項11に記載の複合材スパー（10）。
【請求項１３】
前記強化織布（80）のファイバは、ガラスファイバ材料から構成されていることを特徴とする請求項11又は12に記載の複合材スパー（10）。
【請求項１４】
前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）により連結された上記壁領域と下部壁領域（40,42）を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）であって、この複合材スパー（10）は、その長手方向軸（25）に沿って垂直方向の厚さに、テーパが付されているとともに、外周囲寸法に対応する外側成形ライン形状を有しており、前記複合材スパー（10）は、さらに、
前記前部円錐領域及び前記後部円錐領域（45,47）まで延びた端部部分（62ea,62eb）を有するクロスプライ積層体（60）を前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて有し、前記上部壁領域（40）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62ea）が、前記下部壁領域（42）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62eb）に重なりあって、前記クロスプライ積層体（60）を一体とするような前記前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）における構造的ジョイント（68）を形成しており、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記長手方向軸（25）に沿って一定のコード方向幅寸法を有する複数の個々のクロスプライ（62）を有し、
前記上部壁領域と前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて、前記クロスプライ積層体（60）の間には、少なくとも１つの一方向積層体（70）が間挿され、前記一方向積層体（70）は、前記長手方向軸（25）に沿って一定のコード方向幅寸法を有している複数の個々の一方向プライ（72）を有しており、
さらに、前記一定幅寸法のクロスプライ及び一方向プライ（62,72）は、一定の外周囲寸法を形成しており、
前記一定外周囲寸法によって、前記複合材スパー（10）の先端部（４）における慣性質量が増加していることを特徴とする複合材スパー（10）。
【請求項１５】
バインダマトリックス内に配置された高弾性率複合材用ファイバと低弾性率複合材用ファイバとの組み合わせを有する複合材積層体（60,70）から構成され、かつ、上部壁領域及び下部壁領域（40,42）と、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）と、を有し、さらに長手方向軸（25）、を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）の製造方法であって、この製造方法は、
前記上部壁領域と下部壁領域（40,42）及び前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）を画成する成形面（94a,94b,104a,104b）を有する相補的な半金型（90a,90b,100a,100b）を備えた少なくとも２つの金型（90,100）を用いるステップであって、前記成形面（94a,94b,104a,104b）は、最も内側の金型（90）から最も外側の金型（100）まで次第にその寸法が大きくされており、かつ、前記最も外側の金型（100）は、前記複合材スパー（10）の外側成形ライン形状を画定しているステップと、
前記金型の前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにクロスプライ積層体（60）をレイアップするステップであって、前記クロスプライ積層体（60）は、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）まで延びた端部部分（62e）を備え、前記端部部分（62e）は、さらに各金型の相補的な半金型のうちの一つの成形面のうちの一つを超えて延びており、前記クロスプライ積層体（60）は、さらに高弾性率複合材用ファイバから構成されているステップと、
前記金型のうちの一つの前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれに、少なくとも一つの一方向積層体（70）をレイアップするステップであって、前記一方向積層体（70）は、高弾性率複合材用ファイバと、低弾性率複合材用ファイバと、が組み合わされてなるステップと、
前記クロスプライ積層体と、前記一方向積層体（60,70）と、を膨張可能マンドレルアッセンブリ（110）上に組み付け、前記クロスプライ積層体（60）の間に間挿された前記一方向積層体（70）を有しているプリフォームアッセンブリ（120）を形成するステップを有し、この組み付けステップはさらに、
前記金型（90,100）の前記相補的な半金型（90a,90b,100a,100b）に前記膨張可能マンドレルアッセンブリ（110）を連続して配置するステップと、
前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62e）をジョイントして、構造的ジョイント（68）及びスリップ面（66）を前記前部円錐領域及び前記後部円錐領域（45,47）に形成するステップとを、有しており、かつ、
前記プリフォームアッセンブリ（120）上に前記最も外側の金型（100）を被せるステップと、
前記膨張可能なマンドレルアッセンブリ（110）を加圧して、前記クロスプライ積層体及び前記一方向積層体（60,70）を前記最も外側の金型（100）の前記成形面（100a,100b）へと押圧し、前記積層体（60,70）を圧縮するステップと、
前記クロスプライ積層体と前記一方向積層体（60,70）とを硬化し、前記各円錐領域（45,47）内において前記構造的ジョイント（68）及びスリップ面（66）を形成させ、前記クロスプライ積層体と、前記一方向積層体（60,70）と、の均一な圧縮を可能とするステップと、を有することを特徴とする製造方法。
【請求項１６】
前記上部壁領域と前記下部壁領域（40,42）及び前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）を画成する成形面（98a,98b）を有する相補的な半金型（95a、95b）を備えた中間部金型（95）を用いるステップと、
前記中間部金型（95）の前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれに前記クロスプライ積層体（60）をレイアップするステップであって、前記クロスプライ積層体（60）は、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）まで延びた端部部分（62e）を備え、前記端部部分（62e）は、さらに各金型の相補的な半金型のうちの一つの成形面の一つを超えて延びているステップと、を有することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記膨張可能なマンドレル（110）上に前記積層体（60,70）を被せるステップの前に、前記クロスプライ積層体と、前記一方向積層体（60,70）とを、相補的な半金型（94a,94b,100a,100b）内でデバルキングするステップを有することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１８】
互い違いになった端部部分（62e）を有するクロスプライ積層体（60）を用いるステップをさらに有し、前記端部部分（62e）のジョイントステップは、前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）において互い違いに分散された構造的ジョイント（68）を形成するようにされていることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの一方向積層体（70）をレイアップする前記ステップは、前記一方向積層体（70）をレイアップして、高弾性率ファイバ強化体と低弾性率ファイバ強化体とが交互に重ねられた層（74）を形成させ、低弾性率強化体（74L）の間に高弾性率ファイバ強化体の少なくとも１つの層（74H）をレイアップすることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの一方向積層体（70）をレイアップする前記ステップは、前記低弾性率強化体層（74L）を前記クロスプライ積層体（60）に隣接させてレイアップし、次いで、前記膨張可能なマンドレルアッセンブリ（110）上に複数の前記積層体（60,70）を組み付けることを特徴とする請求項１９に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記クロスプライ積層体と前記一方向積層体（60,70）を前記金型（90,100）内でレイアップする前記ステップは、前記クロスプライファイバを前記長手方向軸（25）に対して±42゜〜±38゜の範囲内に配列し、前記一方向ファイバを実質的に前記長手方向軸（25）に平行となるように配列することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記クロスプライ積層体（60）を前記金型（90,100）内でレイアップするステップは、前記長手方向軸（25）に対して±40゜以上で前記クロスプライファイバを配列させることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２３】
強化織布（80）プライと一方向プライ（72）とを組合わせて、前記一方向積層体（70）を形成するステップを有し、前記強化織布（80）は、バインダマトリックス内に低弾性率ファイバを含んでいることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２４】
前記強化織布（80）プライをレイアップするステップは、前記長手方向軸（25）に対して±80゜以上に前記強化ファイバを配列させるステップを含むことを特徴とする請求項２３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ファイバ強化樹脂マトリックス複合材料に関し、より詳細には、最小重量で構造的性能が向上し、かつ、対損傷性が改善されているヘリコプタロータブレード用の複合材スパー及びその製造方法に関するものである。
発明の背景
回転ブレードのスパーは、ヘリコプタロータブレードの最前部構造要素であり、その第一の機能は、中心のトルク駆動ハブ部材へと、及び／又は中心のトルク駆動ハブ部材からフラップ方向負荷、端部方向負荷、ねじれ負荷、遠心力負荷等が組み合わされた負荷を伝達させる機能を有している。典型的には、前縁端シースと後縁端ポケットアッセンブリが、上記スパーへと取り付けられることで、上記スパーのエンベロープを形成しており、これにより、所望の翼形状が得られる。上記スパーは、典型的には、上記ロータブレードの全長にわたって延びており、その内側端は、上記ハブ部材への取り付けを容易にしているカフアッセンブリ又はフィッティングへと連結されている。上記ロータブレードは、極限的な作動負荷環境に晒されるので、過去においては、アルミニウム又はチタンと言った高強度、高密度材料が、スパー構成体材料とされていた。
しかしながら、より最近には、ファイバ強化樹脂マトリックス複合材料、例えば、グラファイト及びガラスファイバ等と言ったファイバー強化樹脂マトリックス材料が、それらの強度対重量比の効果及び対損傷性改善の点から使用されている。後者についていえば、複合材料の上記構造用ファイバは、複数の負荷徐放経路として捉えることができ、一つ或いはそれ以上のファイバへの損傷が、互いに隣接した複数のファイバの負荷担持能力により緩和されることになる。
進歩した複合材料は、その本来の重量、強度といった利点にも拘わらず、製造方法に伴う高い製造コストのために、広範に使用されるというわけには行かなかった。低コスト製造方法で所望の製造特性を織り込もうとする、すなわち、ラミネートの品質を維持しつつ、労力のかかるプロセスステップを低減することについて、これまで複合材構造体の設計者が達成しようとしているものである。
上記設計者の考える第一次の構造要素としては、必要な機械的特性を有する材料と、樹脂バインダと、ファイバマトリックスの配列と、ファイバ連続性と、プライ欠落又はジョイント形状に起因する応力集中の緩和と、熱により誘起された応力の低減と、を図ることのできる材料から、ファイバ強化体を選択することにある。複合材の利点を最大に発揮させるためには、ファイバ配列を、特定用途のための強度及び剛性規格に適合するように、最適に織り込んでやることが必要である。すなわち、複合材料は、疑似等方的（すべての方向において等しい強度を付与する）のでなく、非等方的（特定方向の負荷を担持できるように）に織り込んでやることが必要とされる。従って、上記負荷方向にファイバを織り込んでやることによって、最も重量効果が得られる解決方法となる。同様に、利用するマトリックス強化材料の種類を変える（例えば、グラファイト、ガラスファイバ、アラミドファイバ等）ことによっても、振動による定常的な曲げ強度、剛性及び靱性といったパラメータを制御することが可能である。加えて、材料の選択及び／又はファイバ配列の最適化に加えて、ファイバの連続性又は不連続性や、不連続的なプライを結合させる方法も複合材料の強度に顕著な影響を与える。概略的には、ファイバの連続性を維持し、互い違いになったジョイントによって応力集中を防止、及び／又は特定領域内では応力集中を生じさせないようにすることが望ましい。また、マイクロクラックを発生させてしまうような、上記したように熱により誘発された応力を開放させるような別の配慮も必要である。マイクロクラックは、互いに隣接する複合材における熱の不均等性により、熱誘起応力が上記バインダ材料内部に伸長する微細なクラックを生じさせる現象をいう。一般には、この様な影響を低減させるためには、積層体にわたって同一の材料を用いるか、又は、熱係数の近い複数の材料を使用することが好ましい。
これらの配慮については、コストと、特定の製造技術の複雑性とを、比較考量しつつ行う必要がある。典型的には、上記製造方法は、切断操作を最小とし、廃棄材料を最低化させること、取り扱いが容易となること、オペレータ／ラミネータの間違い確率を最低化させること、繰り返し性があること、ファイバの嵩変動に対応できること、ファイバ体積を均一に維持できること、均一な積層体品質を与えることができること（均一な圧縮）、及び、マスバランスのとれたレイアップ、すなわち、上記複合材物体において重量分布が適切に図られていることが必要である。
複合材スパーを製造するための従来法としては、複合材料のフィラメントワインディング法及びプリプレグレイアップ法を挙げることができる。上記フィラメントワインディングプロセスは、バインダ材料中に含浸された高強度フィラメントを、上記最終的な物体の形状に必要なおよその形状に対応した形状を有するマンドレルアッセンブリに巻き付けるものである。このマンドレルアッセンブリは、典型的には、巻き付けられた上記マトリックスを支持するための剛性の副次的構造体と、上記剛性副次的構造体を覆うように配設されている不透過性の袋、すなわちバッグと、を有している。ロータブレードスパーと言った長い物体を製造する場合には、上記フィラメントは、上記マンドレル上に巻き付けられ、上記マンドレル及び上記フィラメントは、上記マンドレルの長手方向軸すなわち、巻き付け軸に沿って相対的に繰り返し変位されて、フィラメント材料の複数の層が形成される。上記フィラメントワインディングプロセスが完了すると、上記マンドレル／巻き付けたレイアップ体は、適合する金属金型内に配置され、硬化が行われる。上記硬化プロセス中には、上記バッグが、加圧され、そのファイバを上記適合する金属金型の成形面に押圧させている。
上記フィラメントワインディングの利点としては、ファイバの連続性、（すなわち、上記プロセスは、切断又はプライ重ね合わせを必要としない）、容易な取り扱い性、繰り返し性を挙げることができる。しかしながら、フィラメントワインディングの主要な欠点は、適合する金属金型の上記成形面へと、上記ファイバを伸長させ／押圧することの困難性に関連している。上記ファイバは、最初は張力下で上記マンドレルに巻き付けられているので、上記バッグ加圧中に上記ファイバに力を加えて伸長させ及び／又はシフトさせるようにするのが困難であるとともに、適切な積層体圧縮を行うことが困難なことにある。上記ファイバが完全、かつ、均一に圧縮に対抗することになるので、上記複合材料物体は、樹脂リッチ又は樹脂の疎な特定領域が形成されて、積層体品質の低下を招いてしまうことになる。楕円形状の複合材料の場合、その円錐（conic）領域、すなわち、上記ロータブレードの上記前縁端及び上記後縁端に対応する領域は、ファイバ体積の変動に対して最も影響を受けやすい。フィラメントワインディングの別の欠点は、上記マンドレルアッセンブリの長手方向軸、すなわち巻き付け軸に対して０゜近くでファイバ配列を行えないことにある。このようなフィラメントワインディング装置に関していえば、この点について欠陥を有しており、上記ワインディング操作を周期的に停止させて、均一方向すなわち０゜ファイバとなるように挟み込ませてやる必要がある。
レベリー（Reavely）等は、米国特許第4,621,980号において、フィラメントワインディングプロセスにより製造された、改善された構造特性を有するロータブレードスパーを開示している。レベリーによれば、多層フィラメントを巻き付けた複合材スパーは、上記長手方向軸に対して約35゜未満で配向されているグラファイトファイバ層と、約15゜で配列されたポリアラミドファイバ層を有しているこの様な配向により、軸方向剛性及びねじれ剛性を与えつつ、フィラメントワインディング法を使用することを可能としている。すなわち、フィラメントワインディングは、上記長手方向軸に対しては０゜付近でファイバを並べることはできないが、小さな配向角度とすれば、所望する軸方向の剛性が達成できる。上記プロセスでは、従って、約０゜の所望するファイバ配向に関しては、フィラメントワインディング、すなわち自動化製造プロセスとの妥協が図られたレイアップ法が提供されることとなる。
上記プリプレグレイアップ技術は、個別のプライ、すなわち予め含浸された複合材織布の積層体を使用するものであり、これら積層体は、手作業により重ね合わされて、膨張可能なマンドレルアッセンブリ上に挟み込まれる。上記マンドレルアッセンブリは、適合する金属金型内に配設され、加熱、加圧を行うためのオートクレーブオーブン内で硬化が行われる。楕円形の物体を成形する場合には、上記レイアップ体は、典型的には重ね合わされた複合材料プライ間の界面に位置決めされた“スリップ面”（slip−plane）を含んでいる。これらの互いに重なり合った領域は、上記複合材料の圧縮及び硬化中に上記複合材レイアップを膨張させる（上記界面を横切る滑りを介して）ことを可能とする。予め含浸された複合材料を使用することの利点は、圧縮の容易性、均一な積層体品質、設備投資の低さ、かつ、特定の領域において、選択的に材料を配列させ、成形させることができることにある。欠点としては、労力のかかるハンドレイアッププロセスのために人件費が高いこと、オペレータの間違いが比較的高い確率で起こること（例えば、ラミネートを行うものが、多層プライ積層体のうちの一つのプライを不適切にもレイアップしない等）、及び上記積層体内でのファイバの連続性が無いことを挙げることができる。
サルキンド（Salkind）等は、米国特許第3,782,856号において、好適なバインダマトリックス内に複数種の高引っ張り強度ファイバを含んだツインビーム複合材ロータスパーを開示している。上記ファイバは、軸からずらされ、かつ、一方向に配列されたファイバを有しているが、これらのファイバは、高いねじれ剛性と軸方向剛性を与えるように組み合わされている。高弾性率のグラファイトファイバは、上記長手方向軸に対して約45゜で配向されていて、これらは、最大のねじれ剛性を与えるようになっている。低弾性率のガラスファイバは、０゜、すなわち、上記長手方向軸に沿って配列されており、軸方向最大強度を与えるようになっている。しかしながらサルキンドによれば、上記積層体を分散させ、軸からずれたファイバの積層体を一方向のファイバに結合させているので、マイクロクラックが生じ積層体強度には悪影響が生じることになる。さらに、上記したような材料層（一つはグラファイトであり、もう一つはガラスファイバであるというように）を交互に分散させることは、労力を要し、オペレータの間違いを生じさせがちである。
英国特許第2,040,790号は、一定幅の複合材スパーを製造する方法を開示しており、この方法は、膨張可能マンドレルアッセンブリの回りに予め切断した複合材料織布層を巻き付けるステップと、上記ローターブレードの上部翼面と、下部翼面と、を形成する上記複合材スパーの上部壁領域及び下部壁領域を重ね合わせてジョイントを形成するステップと、を有しているものである。上記重ね合わせたジョイントは、スリップ面となって、硬化操作中における上記複合材料の圧縮を容易としている。上記上部側壁及び上記下部側壁に重なり合ったジョイントを形成することの欠点は、上記材料の膨張に際して上記複合材料織布が引っかかったり、挟まれたりすることにある。上記膨張可能なマンドレルが、上記複合材織布をひっかけると、上記スリップ面は、それらの所望する機能を果たすことができず、積層体の圧縮が良好に行われなくなってしまうことになる。この状況は、また、上記上部壁領域と、上記下部壁領域とが、上記ジョイント界面に重畳して加えられる応力であるフラップに沿った曲げ応力（応力集中である）に晒されるので好ましくない。
カモフ（Kamov）は、米国特許第3,967,996号、米国特許第GB2040790A号、GB2148821号は、複合材スパーを製造するプリプレグレイアッププロセスの別の例である。
従って、製造コストが低い製造プロセスで所望の構造的特性を最適に併せ持つ、複合体スパー構造体を提供することが要求されていた。より具体的には、マイクロクラックの影響を未然に防止し、熱応力を最低化し、重量を最低化し、かつ、耐損傷性を与える構造的効果を有する複合材料スパーを提供する必要があった。さらに、均一に複合材料の圧縮ができ、取り扱いが簡単で、組み付け中の手作業による積層作業が軽減され、さらに、重量分散特性が改善された複合材スパーの製造プロセスを与えることが必要であった。
発明の開示
本発明の目的の一つは、軽量でありながら、ねじれ強度及び軸方向強度が改善された最適ファイバ配置を有する、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、マイクロクラックの悪影響を有しない、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを提供することを目的とする。
また、本発明は、熱歪み特性が改善された、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを提供することを特徴とする。
さらには、本発明は、部品製造コストを低減させるに必要なファイバ切断量を低減させることのできる、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを提供することを目的としている。
さらにまた、本発明の目的は、上記長手方向に沿ってその重量分布が改善された、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを提供することを目的とする。
また、さらに、本発明は、積層体の均一な圧縮を可能として、改善された積層品質を有する、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーの製造方法を提供することを目的とする。
またさらに、本発明の目的は、一定幅のプリプレグ材料を有し、かつ、自動化及び／又は手作業によるプリプレグレイアップを容易とする簡略化される製造プロセスを用いて、改善された、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーを製造するための方法を提供するものである。
本発明によれば、ヘリコプタロータブレード用の複合材スパーは、複数の領域及び小領域に分けられていて、その領域又は小領域においては、ファイバ強化樹脂マトリックス複合材料積層体は、選択的に配列されており、かつ、その材料特性が選択されているものである。上記複合材スパーは、前部円錐領域及び後部円錐領域にまでそれぞれ延びた端部部分を備えたクロスプライ積層体を、上記上部壁領域及び上記下部壁領域のそれぞれに有している。上記上部壁領域におけるクロスプライ積層体の端部部分が、下部壁領域におけるクロスプライ積層体の端部部分に重なりあっており、上記前部円錐領域及び後部円錐領域において構造的ジョイントを形成している。この構造的ジョイントは、上部壁領域及び下部壁領域のクロスプライ積層体を一体化するように機能する。上記クロスプライ積層体は、高弾性率複合材ファイバをバインダマトリックス内に含んでおり、そのクロスプライファイバは、上記長手方向軸に対してそれぞれ±38゜〜±42゜の範囲内に配列されている。上記スパーには、少なくとも一つの一方向積層体が、それぞれ上記上部壁領域及び上記下部壁領域において上記クロスプライ積層体の間に間挿されている。それぞれの一方向積層体は、高弾性率複合材用ファイバと、低弾性率複合材用ファイバとを、バインダ樹脂マトリックス内に含んでいるものであり、これらの一方向ファイバは、実質的に上記長手方向軸に平行に配列される。複数の上記構造的ジョイントは、フラップに沿った曲げ中立軸に対し、加えられる曲げ応力が低い領域に位置決めされており、かつ、上記一方向積層体は、上記フラップに沿った曲げ中立軸に対し曲げ応力の高い領域に位置決めされているので、最大の曲げ強さが得られるようになっている。上記クロスプライ積層体は、それぞれ上記フラップに沿い、かつ、上記長手方向に沿った曲げ強度と、軸方向強度と、を組み合わせて与えることができ、そのファイバ配向は、互いに隣接した一方向積層体に対して熱的に等しくなるように配列されている。上記一方向積層体の上記低弾性率複合材料用ファイバは、また、耐損傷性を改善するものである。
請求項１に係る本発明は、バインダマトリックス内に配置された高弾性率複合材用ファイバと低弾性率複合材用ファイバとの組み合わせを有する複合材積層体（60,70）から構成され、かつ、上部壁領域及び下部壁領域（40,42）と、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）と、を有し、さらにフラップ方向の曲げ中立軸と長手方向軸と（54,25）、を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）であって、この複合材スパー（10）は、
前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）までそれぞれ延びた端部部分（62ea,62eb）を有するクロスプライ積層体（60）を前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて有し、前記上部壁領域（40）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62ea）が、前記下部壁領域（42）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62eb）に重なりあって、前記クロスプライ積層体（60）を一体とするような前記前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）における構造的ジョイント（68）を形成しており、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記長手方向軸（25）に対して±42゜から±38゜の範囲内に配列された高弾性率複合材用ファイバを有し、
前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）にはそれぞれ、少なくとも１つの一方向積層体（70）が前記複数のクロスプライ積層体（60）の間に間挿されており、前記一方向積層体（70）には、高弾性率複合材用ファイバと、低弾性率複合材用ファイバと、が組み合わされて含まれており、これらのファイバは、実質的に前記長手方向軸（25）に平行に配列されていて、
前記構造的ジョイントは、前記フラップ方向曲げ中立軸（54）に対して低い曲げ応力領域に配置されており、かつ、前記一方向積層体（70）は、前記フラップ方向曲げ中立軸（54）に対して高い曲げ応力領域に位置決めされ、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記フラップ方向曲げ中立軸及び前記長手方向軸（54,25）に対してねじれ強度及び軸方向強度を組み合わせて付与しており、かつ、それらの前記ファイバ配列は、重ね合わされた一方向積層体（70）と熱的に等価となるようにされていて、
前記一方向積層体（70）の前記低弾性率複合材料用ファイバにより、耐損傷性が向上されていることを特徴とする複合材スパー（10）である。
また、請求項14に係る本発明は、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）により連結された上記壁領域と下部壁領域（40,42）を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）であって、この複合材スパー（10）は、その長手方向軸（25）に沿って垂直方向の厚さに、テーパが付されているとともに、外周囲寸法に対応する外側成形ライン形状を有しており、前記複合材スパー（10）は、さらに、
前記前部円錐領域及び前記後部円錐領域（45,47）まで延びた端部部分（62ea,62eb）を有するクロスプライ積層体（60）を前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて有し、前記上部壁領域（40）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62ea）が、前記下部壁領域（42）における前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62eb）に重なりあって、前記クロスプライ積層体（60）を一体とするような前記前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）における構造的ジョイント（68）を形成しており、
前記クロスプライ積層体（60）は、前記長手方向軸（25）に沿って一定のコード方向幅寸法を有する複数の個々のクロスプライ（62）を有し、
前記上部壁領域と前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにおいて、前記クロスプライ積層体（60）の間には、少なくとも１つの一方向積層体（70）が間挿され、前記一方向積層体（70）は、前記長手方向軸（25）に沿って一定のコード方向幅寸法を有している複数の個々の一方向プライ（72）を有しており、
さらに、前記一定幅寸法のクロスプライ及び一方向プライ（62,72）は、一定の外周囲寸法を形成しており、
前記一定外周囲寸法によって、前記複合材スパー（10）の先端部（４）における慣性質量が増加していることを特徴とする複合材スパー（10）である。
本発明のヘリコプタロータブレード用の複合材スパーの製造方法を開示すれば、まず、２つの金型を用いるが、この際それぞれの金型は、相補的な半金型を有しており、かつ、この半金型の成形面は、上記上部壁領域と上記下部壁領域及び上記前部円錐領域と上記後部円錐領域を有しているものである。上記それぞれの成形面は、最も内側の金型から最も外側の金型へと連続的に寸法が大きくされており、上記最も外側の金型の上記成形面は、上記複合材スパーの外側成形ライン形状を画成するようになっている。ついで、クロスプライ積層体及び一方向積層体を、上記それぞれの金型内に位置決めし、上記クロスプライ積層体は、上記上部壁領域及び上記下部壁領域に積層されるとともに、上記前部円錐領域及び上記後部円錐領域まで複数の端部部分が延ばされている。これらの端部部分は、さらにそれぞれの金型内において相補的となっている上記半金型のうちの一つの上記成形面を超えて延びており、上記前部円錐領域及び上記後部円錐領域において、構造的ジョイントを形成させるとともに、スリップ面を形成するようになっている。上記一方向積層体は、上記相補的金型の上記上部壁領域と、上記下部壁領域と、に積層されている。上記複数の積層体は、その後、膨張可能なマンドレルアッセンブリへと組み付けられ、上記クロスプライ積層体の間に重ね合わされた上記一方向積層体を有するプリフォームが形成される。この組み付けステップは、連続して上記膨張可能なマンドレルアッセンブリを上記複数の金型の相補的な半金型内に配置するステップと、上記クロスプライ積層体の上記複数の端部をジョイントさせて、構造的ジョイント及びスリップ面を上記前部円錐面及び上記後部円錐面に形成させるステップと、を有している。上記最も外側の金型は、その後、上記プリフォームアッセンブリにかぶせられ、内側にある上記膨張可能なマンドレルが加圧されて、最も外側の上記金型面に対して上記積層体を押圧し、圧縮がおこなわれる。上記最も外側の金型は、その後オートクレーブオーブン内に配置され、加熱加圧下において硬化が行われる。上記した方法によれば、上記それぞれの円錐面に構造的ジョイント及びスリップ面が形成でき、上記プライ積層体の均一な圧縮が容易となる。
請求項15に係る本発明は、バインダマトリックス内に配置された高弾性率複合材用ファイバと低弾性率複合材用ファイバとの組み合わせを有する複合材積層体（60,70）から構成され、かつ、上部壁領域及び下部壁領域（40,42）と、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）と、を有し、さらに長手方向軸（25）、を有するヘリコプタロータブレード用の複合材スパー（10）の製造方法であって、この製造方法は、
前記上部壁領域と下部壁領域（40,42）及び前記前部円錐領域と前記後部円錐領域（45,47）を画成する成形面（94a,94b,104a,104b）を有する相補的な半金型（90a,90b,100a,100b）を備えた少なくとも２つの金型（90,100）を用いるステップであって、前記成形面（94a,94b,104a,104b）は、最も内側の金型（90）から最も外側の金型（100）まで次第にその寸法が大きくされており、かつ、前記最も外側の金型（100）は、前記複合材スパー（10）の外側成形ライン形状を画定しているステップと、
前記金型の前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれにクロスプライ積層体（60）をレイアップするステップであって、前記クロスプライ積層体（60）は、前部円錐領域及び後部円錐領域（45,47）まで延びた端部部分（62e）を備え、前記端部部分（62e）は、さらに各金型の相補的な半金型のうちの一つの成形面のうちの一つを超えて延びており、前記クロスプライ積層体（60）は、さらに高弾性率複合材用ファイバから構成されているステップと、
前記金型のうちの一つの前記上部壁領域及び前記下部壁領域（40,42）のそれぞれに、少なくとも一つの一方向積層体（70）をレイアップするステップであって、前記一方向積層体（70）は、高弾性率複合材用ファイバと、低弾性率複合材用ファイバと、が組み合わされてなるステップと、
前記クロスプライ積層体と、前記一方向積層体（60,70）と、を膨張可能マンドレルアッセンブリ（110）上に組み付け、前記クロスプライ積層体（60）の間に間挿された前記一方向積層体（70）を有しているプリフォームアッセンブリ（120）を形成するステップを有し、この組み付けステップはさらに、
前記金型（90,100）の前記相補的な半金型（90a,90b,100a,100b）に前記膨張可能マンドレルアッセンブリ（110）を連続して配置するステップと、
前記クロスプライ積層体（60）の前記端部部分（62e）をジョイントして、構造的ジョイント（68）及びスリップ面（66）を前記前部円錐領域及び前記後部円錐領域（45,47）に形成するステップとを、有しており、かつ、
前記プリフォームアッセンブリ（120）上に前記最も外側の金型（100）を被せるステップと、
前記膨張可能なマンドレルアッセンブリ（110）を加圧して、前記クロスプライ積層体及び前記一方向積層体（60,70）を前記最も外側の金型（100）の前記成形面（100a,100b）へと押圧し、前記積層体（60,70）を圧縮するステップと、
前記クロスプライ積層体と前記一方向積層体（60,70）とを硬化し、前記各円錐領域（45,47）内において前記構造的ジョイント（68）及びスリップ面（66）を形成させ、前記クロスプライ積層体と、前記一方向積層体（60,70）と、の均一な圧縮を可能とするステップと、を有することを特徴とする製造方法である。
上記目的、他の目的、特徴及び効果については、代表的な実施例及び添付する図面の記載に基づいて、より詳細に以下に説明を加える。
【図面の簡単な説明】
本発明の完全な理解及びその付随する特徴及び効果については、下記に説明する図面を参照しつつ、より詳細に説明を行う。
図１は、本発明の上記複合材ロータスパーを有する複合材ブレードアッセンブリの内側セグメント及び外側セグメントの一部斜視図である。
図２は、図１のライン２−２に沿った複合材スパーの断面図である。
図３は、図２の上記複合材スパーの構成に用いられる上記複合材レイアップを拡大し、用いられている上記ファイバ配列と種々のクロスプライ積層体及び一方向積層体の配向及び配列を示した図である。
図４は、図３の一方向積層体の一部拡大図であり、高弾性ファイバと、低弾性率ファイバと、が交互に積層されているのを示した図である。
図５は、上記クロスプライ積層体と、上記一方向積層体とを示した、上記複合材スパーの種々の領域及び小領域における上記複合材スパーの拡大断面図である。
図６は、図３に示した上記複合材の分解図であり、上記一方向積層体内の強化ファイバが示されている図である。
図7aから、図7eは、上記クロスプライ積層体と上記一方向積層体と、をレイアップするための金型を使用して、上記複合材ロータスパーの組み付けを示した図である。
図8aから図8eは、グラファイトファイバマトリックス及びガラスファイバマトリックス複合材料の熱歪み特性及び本発明を用いた場合の熱歪み特性を示した図である。
図9a及び図9bは、本発明の上記複合材スパーを形成するために使用する膨張可能マンドレルを示した図である。
図10は、上記複合材料スパーの内側断面及び外側断面における上記外側成形ライン形状を示した図である。
発明の最良の実施形態
上記した図面には、いくつかの図において互いに対応する又は類似する部材には、同一の符号が付されている。図１は、ヘリコプタブレードアッセンブリ６の根本端部２の一部斜視図と、先端部４の一部斜視図と、をそれぞれ示している。このヘリコプタロータブレードアッセンブリ６は、略楕円形の複合材スパー10を有しており、この複合材スパー10は、前縁端シースアッセンブリ13と後縁端ポケットアッセンブリ16の間に配設されている。上記複合材スパー10は、上記根本端部２から上記先端部４にまで長手方向軸25に沿って延びているとともに、ロータブレードにかかるすべての負荷、又は、ロータブレードからのすべての負荷を中心のトルク駆動部材（図示せず）に伝達させている。また、上記ロータブレードアッセンブリ６を駆動しているロータシャフトの軸28が示されている。
上記複合材スパー10は、領域及び小領域へと分割されており、構成のために用いられている上記複合材料が、選択的に配列されているとともに、その材料特性は、上記目的を達成することができるように選別されている。図２は、内側、すなわち根本端部を、図１のライン２−２に沿って断面とした図であり、上記複合材スパー10は、それぞれ上記ロータブレードアッセンブリ６の上部翼面と下部翼面に対応した上側壁領域40及び下側壁領域42と、それぞれ上記ロータブレードの前縁端と後縁端に対応する前部円錐領域45と後部円錐領域47を有している。上記それぞれの円錐領域45,47は、また、それぞれ変移領域50及び閉塞領域52を有していて、上記複合材料の特性、例えば、厚さ、材料組成等が、上記それぞれの壁領域40,42から変わるようにさせている。上記前部円錐領域45及び上記後部円錐領域47は、上記上部壁領域40と、上記下部壁領域42と、を互いに連結して、垂直方向の剪断負荷に対抗するボックス構造体を形成するようになっている。また、フラップ方向及び端部方向の曲げ中立軸54,55が、それぞれ上記ロータブレードアッセンブリ６に存在しているのが示されている。上記フラップに沿った曲げ中立軸54は、コード幅にわたって上記複合材スパー10に沿って延びているとともに、上記端部方向の曲げ中立軸55は、垂直方向にあり、上記フラップに沿った曲げ中立軸54と、上記コード幅方向の曲げ中立軸55とは、互いに上記ロータブレードアッセンブリ６の重心57において互いに交差している。上記フラップ方向及び端部方向のそれぞれの曲げ中立軸54,55は、それらを境に曲げ応力が反対になる位置（例えば、圧縮応力から引っ張り応力へ、あるいは引っ張り応力から圧縮応力へ変わるような）であり、これらは、この位置で結果として中立化、すなわち打ち消されることになる。上記軸54,55は、曲げ応力がゼロのラインを示しており、これらから変移した地点では、圧縮応力又は引っ張り応力が次第に増加するように加えられることとなる。
下記に示す説明から理解されるように、上記配置と、位置と、材料選択とは、製造容易性を維持しつつ構造的有効性及び重量的有効性を与えるために重要となる。本発明の好適な実施例では、上記複合材スパー10は、複数の別々のクロスプライと、一方向プライと、上記した領域及び小領域に選択的に配置された強化織布の複数のプライと、を有している。複数の上記クロスプライは、組み合わされて、クロスプライ積層体60を形成し、上記一方向プライは、組み合わされて一方向積層体70を形成している。上記クロスプライ積層60は、上記上部壁領域40と、上記下部壁領域42と、に位置決めされていて、上記前部円錐領域45と、上記後部円錐領域47と、にまで延びている。上記一方向積層体70は、上記上部壁領域40と、上記下部壁領域42と、に位置決めされているとともに、上記前部円錐領域45及び上記後部円錐領域47の変移小領域50に位置決めされている。
図３は、上記複合材スパー10の構成に用いられている上記複合材プライの上側半分を分解して示した図であり、寸法、ファイバ配列、プライ配列がより一層明瞭に示されている。その下側半分は、省略してあるが、これは、上記上側部分と本質的に同一の構成とされているためである。上記上側半分の複合材プライに付された符号は、その下側半分に付される符号と同じであるが、上記上側半分と上記下側半分には、“a"及び“b"の符号をそれぞれ付して、本発明の理解に資するようにしている場合もある。
樹脂含浸ファイバ強化クロスプライは、対となって配列され、それぞれクロスプライの対62として配列されている。すなわち、一つのクロスプライは、上記長手方向軸25に対してａ＋θ方向に配列され、これが、上記長手方向軸25に対してａ−θ方向に配列されたファイバと対とされている。上記クロスプライの上記組み合わせ、すなわち対は、上記ファイバの分離又は離間させてしまうこと無く、最も取り扱いを容易としている。より良く理解するために、クロスプライの対については、今後、“クロスプライ”又は“上記クロスプライ”として引用するが、これは、普通では上記材料は販売者から対となった一体シートとして供給されるためである。上記クロスプライ62は、高弾性率ファイバ、例えばグラファイトファイバがバインダ樹脂マトリックス内に添加されているものを挙げることができる。これらのファイバが、引っ張り強度が約3.45x109N/m2（500,000psi）から、約4.83x109N/m2（700,000psi）であり、弾性率が約2.0676x1011（30x106psi）から、約3.446x1011N/m2（50x106psi）であり、約2.7568x1011N/m2（40x106psi）であることが好ましい。上記ファイバは、その断面積が、約6.35μｍ（0.00025インチ）から約7.62μｍ（0.00030インチ）の範囲とすることができる。上記クロスプライファイバは、所定のファイバ配向角θを有しており、この角度は、上記複合材スパー10の上記長手方向軸25に対して、約±38度から約±42度の範囲であることが好ましく、最も好ましくは約±40゜である。
上記クロスプライ62は、コード方向の幅Dcwを有しており、この幅は、プライ間で相違しており、その結果、それを超えて延び、また、互いに隣接するクロスプライの手前で終わるというような端部部分62eaを形成している。それぞれのクロスプライ62は、しかしながら、上記複合材スパー10の上記長手方向軸25、すなわち、上記ロータブレードに沿って端部２から上記先端部４まで一定のコード方向幅寸法を有している。
上記クロスプライ62は、積層され、かつ、配列されてクロスプライ積層体60を形成している。上記好適な実施例では、３つのクロスプライ積層体、すなわち、最も内側と、最も外側と、中間のクロスプライ積層体、それぞれ60i,60o,60mが示されているが、本発明の範囲内において、より多数のクロスプライ、又は、より少ないクロスプライを使用することもできることは明らかであろう。
複数の樹脂含浸一方向プライ72は、互いに重ね合わされて配置され、少なくとも一つの一方向積層体70を上記上部側壁40及び上記下部側壁42のそれぞれについて形成する。好ましくは、上記プライ72は、２つの一方向積層体、すなわち、それぞれ最も内側及び最も外側の一方向積層体70i及び70oを形成し、これらの一方向積層体は、それぞれ上記クロスプライ60i,60o,60mの間に間挿されていることが望ましい。上記一方向プライ72は、グラファイトファイバ及びガラスファイバと言った高弾性率ファイバと低弾性率ファイバ及びバインダマトリックスから構成されている。上記ガラスファイバは、概ね引っ張り強度が約4.55x1011N/m2（660,000psi）であり、弾性率が約6.892x1010N/m2（10x106psi）から、約9.48x1010N/m2（14x106psi）、好ましくは約8.683x1010N/m2（12.6x106psi）であり、かつその断面積が、約8.89μｍ（0.00035インチ）となっている。上記グラファイトファイバは、上記したクロスプライ62に使用したものとは、同一の強度、弾性率、径を有している。上記高弾性率ファイバと低弾性率ファイバとは、上記複合材料スパー10の上記長手方向軸25に対して、実質的に平行、すなわち約５゜以下、より好ましくは０゜とされて配列される。
図４には、上記一方向積層体70i,70oの上記一方向プライ72が、互いに組み合わされ、又、互いに寄せ集められて高弾性率ファイバと低弾性率ファイバとによる強化体の交互層74が形成されているのが示されている。好ましくは、高弾性率ファイバによる強化体を有する層74Hは、低弾性率ファイバ強化体を有する層74Lの間に配設されていることが好ましい。より好ましいのは、上記低弾性率層74Lは、上記クロスプライ積層体60に隣接して配置されるようになっていることであるが、この点についてはより詳細に後述するが、歪みが均衡化されている積層体が得られるためである。
上記一方向プライ72は、本質的に各層74についてプライ間におけるコード方向幅寸法が一定とされており、例えば、右から左に、というように、互い違いにされ、その端部部分72eが距離Dsだけずれるようになっている。上記端部部分の食い違い部分72eは、上記複合材スパー10内に厚さ変移を生じさせるのを容易としている。上記変移は、さらに、層74間の一方向プライ72の幅方向寸法を増加させても適応させることができる。上記クロスプライ62と同様に、それぞれの一方向プライ72は、上記複合材スパー10の上記長手方向軸25に沿ったコード方向幅寸法が一定とされている。
上記構造体を製造するために有用な上記樹脂マトリックス材料は、例えば“8552"と言ったエポキシ樹脂であり、このエポキシ樹脂は、ハーキュレスコーポレイション（Hercules  Corporation）から購入することができる。しかしながら、例えば“5225"といったBASF社から市販のような、いかなる数多くのエポキシ樹脂システムであっても使用可能である。
図５は、上記複合材スパー10の右手側（後方）部分を拡大した断面図であり、上記クロスプライ積層体60及び一方向積層体70の位置決及び配列がより明確に図示されている。上記一方向積層体70は、上記複合材スパー10の上記上部側壁領域40と上記下部側壁領域42のそれぞれに配置されていて、上記クロスプライ積層体60の間に間挿されている。好適な実施例では、上記一方向積層体70は、上記前部円錐領域及び上記後部円錐領域45,47の上記変移小領域50まで延びている。上記クロスプライ積層体60は、従って、上記上部壁領域40と上記下部壁領域42のそれぞれにおいては、互いに離間されており、徐々に上記変移小領域50に向かって接近して行くようになっている。上記クロスプライ積層体60が完全に収束するのは、上記閉塞小領域52においてであり、端部部分62ea、62ebを形成することで、クロスプライを一定の厚としている。従って、上記壁領域40,42の上記積層体厚さは、上記閉塞小領域52の積層体厚よりも大きいこととなる。
より具体的には、上記した好適な説明に従い、上記一方向積層体70i,70oは、上記クロスプライ積層体60の間に間挿されていて、最も内側のクロスプライ積層体と、最も外側のクロスプライ積層体と、中間部のクロスプライ積層体と、60i,60o,60mとともに、それぞれ上記上部壁領域40と、上記下部壁領域42と、上記変移小領域50を形成している。さらに、上記一方向積層体の互い違いになった端部部分72eは、上記円錐形領域45,47の上記変移小領域50まで徐々に減少して行くようになっている。
上述したように、上記クロスプライ積層体60は、端部部分62ea,62ebを有しており、これらの端部部分は、上記前部円錐領域45及び上記後部円錐領域47まで延びている。上記クロスプライ積層体60の上記端部部分62eaは、上記下部壁領域42を形成している上記クロスプライ積層体60の上記端部部分62ebに重ね合わされて、上記前部円錐領域45と上記後部円錐領域47における互いに隣接したクロスプライ62の間の界面スリップ面66を形成している。さらに、上記端部部分62ea,62ebは、上記円錐領域45,47において、構造的ジョイント68を形成している。上記構造的ジョイント68は、上記円錐領域45,47において互いに重なり合わされ、突き合わせジョイントとされており、特定領域にのみ形成することによる応力集中を防止するようになっていることが好ましい。上記突き合わせジョイント68の間の周辺間隔Lbは、約0.448cm（0.175インチ）から約0.832cm（0.325インチ）であり、好ましくは、約0.64cm（0.25インチ）である。
図６には、上記一方向積層体の上記一方向プライ72が、さらに上記一方向プライ72の間に配設された強化織布80のプライを有しているのが示されている。上記強化織布80は、低弾性率ガラスファイバ材料を有しており、上記複合材スパー10の長手方向軸25に対して約±80゜以上、より好ましくは、約90゜に配列されたファイバを含んでいる。上記織布は、含浸されて、バインダマトリックスを有していなくとも良く、又、含浸された一方向プライ72と対82となるように組み合わされていても良い。含浸されていない状態で使用する場合には、互いに隣接するプライからの樹脂が流れてきて、硬化プロセス中に上記織布を飽和させることとなる。上記強化ファイバは、概ね引っ張り強度が、約4.55x1011N/m2（660,000psi）、弾性率が約6.892x1010N/m2（10x106psi）から、約9.48x1010N/m2（14x106psi）、好ましくは約8.683x1010N/m2（12.6x106psi）であり、その断面積は約8.89μｍ（0.00035インチ）を有しているものである。
本発明の複合材スパー10は、図7aから図7eに示したように組み立てられる。好適な実施例によれば、最も内側の金型と、最も外側の金型と、中間部の金型、90,95,100が、レイアップ体及び上記複合材スパー10を形成するために使用される。上記金型は、例えばその外側成形ライン（OML）が、上記最も内側の金型90から、上記最も外側の金型100へと連続的に寸法が増加しており、複合材料の連続的な積み上げができるようにされている。図7aには、上記最も内側の金型90が、相補的な半金型90aと、90bと、を有しているのが示されており、これらの半金型は、最も内側の一方向積層体70iとクロスプライ積層体60iをレイアップするために使用される。上記半金型90a,90bは、形成面94aと、94bと、を有しており、これらが、上記上部側壁領域40と、上記下部側壁領域42と、上記前部円錐領域45と、上記後部円錐領域47と、を画定している。理解を容易にするため、上記複合材スパー10の上記それぞれの領域及び小領域に対応した参照符号を、それぞれ、上記相補的な半金型90a、90bの対応する成形面94a,94bとして表す。
本発明の好適な実施例では、上記最も内側の一方向積層体70iは、まず上記最も内側の金型90の上記相補的な半金型94a,94b内に重ねられる。高弾性率ファイバ強化体及び低弾性率強化体のそれぞれの層74を形成する一方向プライ72は、プライが互いに互い違いに積層されて、上記変移小領域50における厚さ変移を形成するようにされている。上記一方向プライ72の幅は、上記プライが、上記金型面94a,94bの閉塞小領域52にまで延びないように選択される。上記レイアップに強化織布80のプライを組み合わせる場合には、上記一方向積層体70は、上記一方向プライ72と、強化用織布80からなる複数の含浸されたプライの対82（図６参照）を含むこととなる。
上記最も内側のクロスプライ積層体60iは、その後上記最も内側の一方向積層体70i上に重ねられて、上記クロスプライ積層体60iの上記端部部分62eが、上記成形面94a,94bの上記前部円錐領域45と、上記後部円錐領域47と、にまで延びるようにされる。上記クロスプライ積層体60iの上記端部部分62eは、上記相補的な半金型90a,90bの一方に形成され、上記成形面94a,94bを超えて延びており、上記前部円錐領域45及び上記後部円錐領域47の構造的ジョイント68の形成と、スリップ面66の形成と、を容易にしている。上述したように、上記それぞれのクロスプライ62は、その端部部分62eが互い違いになるように選択されたコード幅寸法を有しており、それぞれの構造的ジョイント68の位置が分散されるようにしている。上記クロスプライと上記一方向積層体60i,70iとは、上記スパー10の上記長手方向軸25に沿ってコード方向に一定幅とされており、材料の切断又は廃棄は必要とされない。
図7bには、上記中間クロスプライ積層体60m及び最も外側の一方向積層体70oが、上記最も内側の金型90において説明したと同様のレイアップ方法により中間金型95の上記相補的な半金型95a,95bへと重ね合わされているのが示されている。上述したように、上記成形面98a,98bは、上記金型面94a,94bのそれぞれの成形面よりも僅かにOML寸法が大きく、複合材料の積層ができるようにされている。
図7cは、相補的な半金型100a,100bを有する最も外側の金型100が、上記最も外側のクロスプライ積層体60oをレイアップするために使用されているのが示されている。上記最も外側の金型100は、金型面104a,104bと、を有しており、これらは、上記上部壁領域及び上記下部壁領域40,42と、上記前部円錐領域及び上記後部円錐領域45,47と、に対応した外側成形面（OML）形状を有している。上記最も外側のクロスプライ積層体60oは、上記最も外側の金型100の上記相補的な半金型100a,100bに重ね合わされ、その端部部分62eは、上記成形面104a,104bの上記前部円錐領域45と、上記後部円錐領域47と、にまで延びている。上記最も内側と上記中間の金型90,95のレイアップ方法において説明したと同様に、上記相補的な半金型100a,100bのうちの一つの上記クロスプライ積層体60oの上記端部部分62eは、上記金型面104a,104bを超えて延びていて、上記前部円錐領域45及び上記後部円錐領域47の上記構造的ジョイント68及びスリップ面66の形成を容易にしている。再述することになるが、上記端部部分62eは、互い違いにされていて、上記円錐領域45,47における上記構造的ジョイント68の形成に容易にしているとともに、これらを分散させている。上記クロスプライ積層体60oは、上記スパー10の上記長手方向軸25に沿って一定のコード幅を有している。
上記クロスプライ積層体と上記一方向積層体60,70は、上記最も内側の金型、中間の金型、及び最も外側の金型90,95,100の上記相補的な半金型内部で重ね合わされ、その後、周知のデバルキング技術を使用してデバルキングが行われる。例えば、不透過性のナイロン製又はシリコーン製“真空バッグ”を、上記相補的半金型を覆うように位置決めし、上記バッグの端部を互いにテープ止め又は接着する。真空ポートを上記バッグに取り付け、上記積層体がおかれているキャビティを真空へと減圧する。真空とした後、気圧により上記バッグを上記積層体に押圧して、上記プライを部分的に一体化させる。
次いで、図7dに示してあるように、膨張可能の内側マンドレルアッセンブリ110は、上記複合材スパー10の内側形状に対応した形状に膨張可能とされており、これが、上記最も内側の金型90の内の一つの上記相補的半金型90bに配置される。上記マンドレルアッセンブリ110は、不透過性のバッグ114によって囲まれた剛性副次的構造体112を有しており、この不透過性バッグは、硬化操作中に加圧される。上記副次的構造体112は、いかなる剛性材料で形成されていても良いが、温度の上昇に伴ってサイズが減少するポリスチレンで構成されていることが好ましい。これと同一の金型のもう一つの相補的半金型90aを、上記内側マンドレルアッセンブリ110に覆い被せて、上記マンドレルアッセンブリ110上に、残った最も内側のクロスプライ積層体及び一方向積層体60i,70iを位置決め及び配置させる。材料取り扱い性を補助するために、離型物質又はキャリアフィルムを上記成形面94a,94b及び98a,98bに上記クロスプライと上記一方向積層体60i,70i,60m,70oのレイアップに先立って配置しても良い。上記材料及びフイルムは、上記最も内側の金型及び中間部の金型90,95からの取り外しを容易にしている。上記金型は、開かれて、上記クロスプライ72の端部部分62eが、上記マンドレルアッセンブリ部分の回りに折り畳まれることになるが、これが上記複合材スパー10の上記前部円錐形領域45と上記後方円錐領域47と、に対応するものとなり、この様にしても上記最も内側のクロスプライ積層体60iが連結される。さらに上記円錐形領域45,47の接着性を改善するために、それらを折り重ね、ジョイントする際に上記端部部分62eに熱源を用いることもできる。上記マンドレルアッセンブリ110は、上記最も内側のクロスプライ積層体と一方向積層体60i,70iとを有しているとともに、残された金型、すなわち、中間部金型又は最も外側の金型である上記相補的半金型内に続いて配置され、上記手法が必要に応じて上記中間部クロスプライ積層体及び最も外側のクロスプライ積層体60m,60oを突き合わせるまで繰り返し行われる。
図7eには、上記最も内側の金型90から最も外側の金型100まで上記積層体組み立て体60i,70i,60m,70o,60oが、プリフォームアッセンブリ120で示されており、このプリフォームアッセンブリ120には、上記一方向積層体70が、上記クロスプライ60の間に間挿されているのが示されている。上記最も外側の金型100は、上記プリフォーム組み立て体120を覆うようにして閉ざされ、硬化を行うために、オートクレーブ内に配置される。
上記膨張可能マンドレルアッセンブリ110の不透過性バッグを加圧することで、上記クロスプライ積層体60及び一方向積層体70に圧縮圧力を加える。このような加圧圧縮により、上記最も外側の金型100の上記成形面104a,104bに対して上記積層体60,70を押圧及び圧縮する。上記アッセンブリ全体をその後、オートクレーブ等、高温プロセスで硬化させ、上記複合材スパー10が硬化される。上記高温硬化中に、剛性副次構造体112は、その元々の寸法から約10％収縮するので、上記複合材スパー10の内側からの除去が容易となる。
上記したような特定の積層体構成、及び上記複合材スパー10の製造ステップの説明が終わったので、以下に本発明の構造的及び製法的効果を説明する。
再度図２を参照すると、上記上部壁領域40と、上記下部壁領域42と、に位置決めされている上記一方向積層体70の上記一方向に配列されたファイバは、最大のフラップ方向曲げ強度を与えるために、高い曲げ応力を受ける領域に配置される。一方向ファイバをこの様に位置決めすることで、上記フラップ方向の曲げ中立軸54からの距離を最大化でき、最大のフラップ方向曲げ強度及び最適化された構造的効率が得られる。一方向ファイバは、上記円錐形領域45,47には用いられていないが、これは上記フラップ方向曲げ中立軸54（低フラップ方向曲げ応力領域）に近接しており、この様なファイバ配置は効率的ではないためである。逆に、構造的ジョイント68は、上記フラップ方向曲げ中立軸54に近接し、低フラップ方向曲げ応力領域に位置している（すなわち、上記前部円錐領域45と上記後部円錐領域47）。上記配置は、応力の重畳、すなわちフラップ方向曲げ応力と、上記構造的ジョイント68により誘起される応力集中とを、防止するようにしている。上記位置決めは、上記端部方向の曲げ中立軸55からのオフセット距離のため、高い端部方向曲げ応力領域に上記構造的ジョイント68を配置することとなるが、上記前縁端シース及び上記後縁端ポケットアセンブリ13,16の剛性構造による寄与により、上記円錐領域45,47での端部方向曲げ応力が緩和されるようになっている。さらに応力を緩和させるために、上記構造的ジョイント68は、上記円錐領域45,47内において互い違いにされ、分散されている。
上記クロスプライ積層体60の上記軸方向にバイアスされた±40゜のファイバ配列（すなわち、上記長手方向軸25の方向に対して）は、軸方向強度と軸方向剛性とを上記複合材スパー10にわたって付与するものであり、同時に、これに伴ってねじれ剛性も付与される。上記ファイバをこの様に配置することで、上記フラップ方向及び上記長手方向軸54,25に沿って、ねじれ剛性及び軸方向剛性が最適化した組み合わせが得られるとともに、重量効率を最大化できる。さらに、上記軸方向の傾きは、熱誘起応力を低減し、この結果、マイクロクラックの影響を低減させることができる。この現象をより良く理解するために、図8aには、上部層132u及び下部層132Iを有する複合材料の一部領域を示すが、この際、基準軸システムであるＹ軸に対して±50゜のクロスプライとされ、中間層134は、０゜の一方向プライが用いられているものを示す。この目的のため、上記各層の材料選択については明記していない。図には、また、オートクレーブ硬化に際しての大きな温度変化に晒された際に、過酷な歪みプロファイル136が発生していることが示されている。これは、上記クロスプライ132u,132Iと一方向プライ134の間の熱膨張係数αｘの差によって引き起こされるものである。上記一方向材料のαｘは、上記バインダマトリックス材料、すなわち“樹脂支配的”特性によって決定されており、この様な材料における上記熱膨張係数は、典型的には、“ファイバ支配的”な上記クロスプライ材料よりも数桁大きい。ファイバ支配的材料とは、熱膨張の方向に対して±45゜以上の配列を有するファイバマトリックス複合材料をいう。従って、上記±50゜のファイバは、上記ファイバが上記Ｘ軸に沿った熱膨張係数を規制することになるので、ファイバ支配的である。上記したように生じた過酷な歪み分布は、上記積層体130内にマイクロクラック138を発生させ、この結果、上記積層体全体の強度を低減させることとなる。
マイクロクラックの影響に対抗するために、本発明では、上記複合材スパー10の上記長手方向軸25（図8aのＹ軸と同様である）に対してファイバ配列が約±42゜から±38゜の間にあるクロスプライ積層体60を用いている。この様な配列によって、“樹脂支配的”に近いマトリックスを得ることができ、“樹脂支配的”な一方向積層体70の熱歪み特性により近づけることができる。より特徴的なことは、±40゜と±45゜のクロスプライを使用することにより、上記クロスプライ積層体と一方向積層体60,70の間の熱膨張係数の不適合は、3:1まで低減できる。
さらにマイクロクラックを低減させるために、上記複合材スパー10は、すべての層74の間、すべての一方向プライ72の間に配設する強化織布80を使用していることが好ましい。図8bは、本発明を用いた複合材物体140の一部分を分解して示した図である。上記複合材は、±40゜のクロスプライ積層体60と、０゜ファイバ配列のマルチプライ一方向積層体70と、それらの間に配設された強化織布80の複数の層と、を有している。上述したように、上記強化織布80は、上記長手方向軸25に対して約80゜、好ましくは約90゜で配列された低弾性率ファイバを用いている。上記強化織布80は、上記バインダマトリックスを、横方向（Ｘ軸に沿って）に強化し、上記積層体間の大きな熱的不均一性を低減させている。従って、上記強化織布80と低減したクロスプライ配置すなわち、±40゜又は±45゜，±50゜とを組み合わせることにより、積層体強度を改善させつつ、上記した大きな熱歪みプロファイル146（図8c）を減少させることができることになる。
マイクロクラックを防止するのに加えて、上記強化織布80の上記低弾性率ファイバは、上記一方向積層体70の上記低弾性率層74Lと組み合わされていて、良好な耐損傷性を与えている。より具体的には、通常の操作の間には、上記低弾性率ガラスファイバ（低弾性率層74L）は、その強度能力より充分下の負荷が加えられており、上記高弾性率グラファイトファイバには、より大きな負荷が加えられていて、上記ブレードの軸方向の負荷主要部分に対抗している。上記低弾性率ファイバは、大きな延性を有し、歪み−破断比が上記高弾性率グラファイトファイバの約３倍程度となっているので、上記低弾性率ファイバは、完全に破断するまで高いレベルで衝撃エネルギーを吸収することができる。従って、端部方向に沿って衝突性の衝撃が発生した場合でも、上記衝撃エネルギーを、始めに上記高強度グラファイトファイバが吸収し、それらが極限的に破断すなわち損傷してしまっても、上記ガラスファイバが残された負荷を破断することなく吸収するようになっている。従って、弾頭のエネルギーは、吸収され及び／又は反射されて、50％以上で充分なファイバ強度／特性が残され、安全な飛行操縦を続けることができる。
これまでの説明は、横方向（Ｘ軸方向）の熱特性について行ってきたが、以下に述べる説明は、上記長軸方向の熱歪み特性に関するものである。より強調すべきことは、均等、かつ歪みが均一化されたレイアップを形成するための材料選択及びそれらの配置にある。マイクロクラックは、上記長手方向軸（Ｙ軸）方向にはそれほど顕著ではないが、これは上記バインダマトリックスが、強化用ファイバにより保持されているためである。
図8dは、複合材物体150の端部領域（形状図）であり、±40゜の上部クロスプライ積層体と、下部クロスプライ積層体60と、それらの間に配設された０゜の一方向積層体70と、を有しているのが示されている。上記クロスプライ材料の上記積層体及び下部積層体60は、高弾性率グラファイトファイバから構成されており、かつ、上記一方向積層体は、高弾性率のグラファイトファイバと、低弾性率のグラスファイバと、を有している。上記グラファイトファイバクロスプライ積層体60の熱膨張係数αｙは、上記グラファイト／ガラスファイバ一方向積層体70の熱膨張係数よりも著しく小さいため、歪みプロファイル156は、示したようにして発生する。しかしながら、特異性は、グラファイト材料にあり、０゜ファイバを有するものの上記熱膨張係数は、上記±40゜のファイバとほとんど同じということである。従って、上記歪みプロファイルを低減させるためには、上記一方向積層体内部に上記グラファイトファイバを選択的に位置決めすることが好ましい。図8eには、改良された複合材物体160の端部領域が、低弾性率ガラスファイバ74Lの間に間挿された高弾性率グラファイトファイバの中間層74Hを有しているのが示されている。上記高弾性率グラファイトは、その両側にある上記低弾性率ガラスファイバに熱歪みを生じさせないようにして、上記歪みプロファイル166を低減又は平坦化させている。従って、上記材料の分布は、歪みが均衡化した積層体を与えることができる。
本発明の製造における効果についていえば、上記構造的ジョイント68の配置と位置により、構造的効果と、製造容易性と、を与える多目的的効果が得られることにある。上記構成による製造上の利点は、図9aから図9bによって最も良く理解することができ、これらは、上記最も外側の金型100の内部において、ある程度に膨張した状態の上記膨張可能内側マンドレルアッセンブリ110を示している。上記不透過性のバッグ114と上記剛性の副次的構造体112の間及び上記バッグと積層体の間のボイド116は、例示するための目的から特に強調して示してある。膨張可能バッグは、上記複合材スパー10の楕円形状を取る以前には、最初には丸、又は円形の形状を有している。従って、上記バッグは、最初は、上記側壁領域40,42と、矢印118vで示した上側及び下側の垂直方向にスパー10を圧縮し、さらに、完全にそれが加圧されると（図9b参照）、上記バッグは、水平方向の矢印118hで示した前方及び後方の方向に上記前部円錐領域45と、上記後部円錐領域47と、を圧縮する。構造的ジョイントと、それに付随するスリップ面は、上記円錐領域以外、例えば、側壁領域に配置されている場合には、上記膨張可能バッグは、上記最も外側の成形面に対して上記プライをひっかけたり、挟んでしまったりしがちであり、スリップ面の運動を阻害してしまいがちである。これが起きると、上記円錐形領域45,47の圧縮は、不完全となり、積層体品質に対して悪影響を与えることになる。
本発明は、上記ジョイント68及びそれに伴うスリップ面66（互いに隣接したクロスプライの間）を、上記円錐領域45,47に配置し、上述した問題点を解決し、完全な複合材スパーレイアップの圧縮ができるようにするものである。また、上記クロスプライ積層体と上記一方向積層体60i,70i,60m,70o,60oを、レイアップするための上記成形面は、本質的にネット寸法、すなわち、最終形状及びそれに伴う硬化複合材料スパー積層体（或いは複数の積層体）に実際に近い寸法とされている。レイアップから最終的な硬化寸法までの上記したような比較的僅かな変位量により、上記スリップ面66に沿った変移が最小とでき、完全、かつ均一な積層圧縮が保証できることになる。
本発明の方法は、一定幅のクロスプライ積層体と、一方向積層体60,70と、を利用するものであり、これらは、所望するように予めカット、積層されていて、これの他に材料の切断又は廃棄がなされないものである。このように簡略化されたレイアップ手法及び加工方法、すなわち、一定幅、多層プライ積層体を用いるレイアップ方法及び加工方法は、個々のプライを位置決めし、かつ、切断することに伴う従来の複雑さを排除することができる。このことは実質的に材料の無駄を低減し、組み付けに必要とされる手作業の労力が低減できる。さらに、本発明の方法は、自動化レイアップに適用することができる。すなわち、それぞれのプライ又は積層体は、相補的な半金型内において自動化機械によってロール及び／又は積層され、ついでデバルキングされる。シンシナチミクロン（Cincinnati Milicron）によって製造されているような多軸複合材レイアップ−位置決め機械は、上記したような自動化レイアップにおいて利用できる。
図10には、複合材スパー10の根本端部及び先端部におけるOML形状プロファイル170,180を、それぞれ比較目的のために重ね合わせてある。垂直方向の厚さ寸法は、Dr,Dtであり、コード方向幅寸法はDcwr及びDcwtであり、これらが上記OML形状170及び180についてそれぞれ示されている。上記厚さ寸法Dr及び／又はDtは、概ね上記ロータブレードアッセンブリ６の所望する翼厚形状にされている。
図１を参照すると、ヘリコプタロータブレードは、上記根本端２で厚さが上記先端部４の厚さよりも大きくされていて、先端部に向かうにつれ、より大きくなっている先端部分４に比較して、上記回転軸28からの径方向距離が小さい低速度空気流領域でもより大きな揚力を発生できるようにされている。従って、上記複合材スパー10構造に厚さ及び／又は幅寸法のテーパを形成すること、例えば、外側に向かって翼断面を薄くなるように低減させるのが普通である。上記したようなテーパ形成は、典型的には複合材プライ積層体の切断及び廃棄により行われてきている。この構成方法は、しかしながら多くの労力を要し、ファイバの不連続性のため、ラミネートに際してよけいな注意を強いられることとなる。
上記ロータブレード先端部４を薄い翼断面とする必要とともに、例えば、大きな推力／コレクティブコマンド入力が自動転回マネーバにおいてなされた場合のように、急なパイロットコマンド入力がなされ、ロータ速度が急に減少するのを防止するため、ロータ慣性を保持する必要もある。上記ロータブレード先端部６に慣性重量を付け加え、ロータ慣性を増大させることは通常に行われている。このことは従来法である重いチタン及びアルミニウムのロータブレードでは問題とされてこなかったが、軽量の複合材構成では、その反面で、上記ロータブレード先端部６での望ましい慣性重量に欠けることになる。
本発明の方法は、これらの互いに相関しない設計事項を一定幅のクロスプライと一方向プライ62,72の適用により対応させようとするものである。それぞれのプライの上記コードに沿った幅方向寸法Dcwは、予め定められており、上記スパーの上記長手方向軸25に沿って一定となっている。図10の上記根本端部形状と、上記先端部形状170,180とを参照すると、上記複合材スパー10の上記外側成形ライン形状に沿って計ったそれぞれの外周寸法が、本質的に一定、すなわち、その別部分の５％以内に納められていることが解る。これは、一定幅プライ62,72を使用することによるものであり、上記複合材スパー10の上記先端部厚さDtが低減すると、結果的にはコード方向幅寸法Dcwtの増加として得られるようになっているためである。本発明は、従って、上記ロータブレード先端部のロータ慣性を、上記複合材スパー10のコード方向寸法の増加及びそれに伴う重量増加によって効果的に解決するものである。
本発明の上記複合材スパー10は、16枚のグラファイトファイバマトリックスクロスプライ62と、32枚のグラファイト及びガラスファイバファイバマトリックスプライ72を有しているが、しかしながら特定用途に応じた負荷要求に応じ、いかなる数の複合材プライを用いることもできる。本発明は、グラファイト及びガラスファイバ複合材用ファイバを用いて説明してきたが、別の複合材ファイバであっても同様の強度と弾性率特性が得られれば本願中で説明した構成に使用することができる。さらに、上記好適な実施例では、強化織布80のプライが、すべての一方向プライ72の間に間挿されているが、上記強化用織布80は、所望するスパー強度及び耐損傷性に応じ、用いなくとも良い。
上記好適な実施例では、複合材スパー10は、最も内側のクロスプライ積層体、最も外側のクロスプライ積層体、中間のクロスプライ積層体60i,60o,60mをそれぞれ上記上部壁及び上記下部壁領域40,42において有し、かつ、一方向積層体70i,70oを上記クロスプライ積層体間に有しているが、例えば、60i及び60oと言った２つのクロスプライ積層体をそれぞれ上記上部側壁及び上記下部側壁40,42にそれぞれ用いることができることも明らかであり、また、少なくとも一つの一方向積層体、例えば70iを、それぞれ上記各領域に使用することもできることが明らかである。この場合には同一の加えられた負荷を支持するためには、上記積層体はそれぞれより多くの複合材プライを必要とする。さらに、これとは別のクロスプライと一方向積層体60,70を、上記複合材レイアップをさらに強化しバランスさせるために使用しても良い。
上記好適な実施例では、また、複数の金型を用いて複合材スパーを製造することを開示してきたが、より少ない、例えば最も内側金型90と最も外側の金型100の２つを用いても、また、３つ以上の金型を使用することも本発明の趣旨及び範囲内において可能である。
これまでをまとめると、本発明は、マイクロクラックを低減させて、耐損傷性を向上させ、随意に最大の重量効率を得るためのファイバ強化材料の位置決め及び配列を行うことで、歪みがバランスしたレイアップを行うことができる。加えて、本発明の方法は、製造を容易なものとし、均一な積層体圧縮が可能となり、これによって組立中に要求される手作業による労力が低減でき、さらに、繰り返し可能で、自動化した製造にも適合させることができる。最後に、上記製造方法は、上記スパーの長手方向軸に沿った良好な重量分布を有する改善された複合材スパーを得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図７ｃ】
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【図７ｅ】
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【図８ｅ】
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【図７ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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