(57)【要約】【課題】耐熱衝撃性に優れ、かつレドームとレドームリングの接合部の接着剤の熱劣化を防止可能な飛翔体用レドームを提供する。【解決手段】飛翔体本体の先端に配置されるレドームと、レドームと飛翔体本体の間に配置されるレドームリングを備え、前記レドームと前記レドームリングが樹脂製の接着剤で固定されている飛翔体用レドームであって、前記レドームの先端部分に低熱膨張かつ高熱伝導率のセラミックを使用し、後端部分に先端部分のセラミックよりも低熱伝導率のセラミックを使用した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体の先端部に配置されるレドームと、
前記レドームと樹脂性の接着剤で固定されるレドームリングと、
を備える飛翔体用レドームであって、
前記レドームは、前記レドームの先端部分に配置され高熱伝導率のセラミックからなるレドーム先端部と、前記レドームの後端部に配置され、前記レドーム先端部よりも低熱伝導率のセラミックからなるレドーム後端部とから構成されることを特徴とする飛翔体用レドーム。
【請求項２】
前記レドーム先端部のセラミックの熱伝導率は２０W/(m・K)以上であり、
前記レドーム後端部のセラミックの熱伝導率は５W/(m・K)以下であり、かつ、
前記レドーム先端部のセラミックの熱膨張率は５ppm/℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の飛翔体用レドーム。
【請求項３】
前記レドーム先端部のセラミックの熱膨張率と、前記レドーム後端部のセラミックの熱膨張率差の差が３ppm/℃未満であることを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の飛翔体用レドーム。
【請求項４】
前記レドーム先端部は、窒化ケイ素を材料としたセラミック、あるいは窒化ケイ素と窒化ホウ素を材料としたセラミックであり、
前記レドーム後端部は、シリカ、あるいは、ムライト、あるいは、チタン酸アルミを材料としたセラミックであることを特徴とする請求項２または３に記載の飛翔体用レドーム。
【請求項５】
前記レドーム先端部と前記レドーム後端部は、ガラス粉末を溶剤に分散したガラスペーストで接合されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の飛翔体用レドーム。
【請求項６】
飛翔体の先端に搭載される飛翔体用レドームの製造方法であって、
２０W/(m・K)以上の熱伝導率を有する第１のセラミック粉末と、
５W/(m・K)以下の熱伝導率を有する第２のセラミック粉末を、それぞれ造粒する工程と、
前記工程で造粒された第１のセラミック造粒粉と、第２のセラミック造粒粉を、それぞれ成形する工程と、
前記工程で成形された第１のセラミック成形体と、第２のセラミック成形体を、接合する工程と、
前記工程で接合された第１のセラミック成形体と第２のセラミック成形体の接合体を焼成する工程と、
を有することを特徴とする飛翔体用レドームの製造方法。
【請求項７】
飛翔体の先端に搭載される飛翔体用レドームの製造方法であって、
２０W/(m・K)以上の熱伝導率を有する第１のセラミック粉末と、５W/(m・K)以下の熱伝導率を有する第２のセラミック粉末を、それぞれ造粒する工程と、
前記工程で造粒された第１のセラミック造粒粉と、第２のセラミック造粒粉を、それぞれ成形する工程と、
前記工程で成形された第１のセラミック成形体と、第２のセラミック成形体を、それぞれ焼成する工程と、
前記工程で焼成された第１のセラミック焼成体と第２のセラミック焼成体を、ガラス粉末を溶剤に分散させたガラスペーストで接合する工程と、
を有することを特徴とする飛翔体用レドームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の目標に向けて飛翔する飛翔体のレドームに関するものである。特に、急激な空力加熱に耐え得る耐熱衝撃性を備え、かつレドームリングとの接着部の熱劣化を抑制可能なレドームを提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定の目標に向けて飛翔する飛翔体には、目標までの距離や方位を計測するアンテナ等の電子機器が搭載されており、この電子機器を飛翔時の空力から保護する為に、飛翔体の先端にはレドームが設置されている。飛翔体は、超音速で飛翔する為、飛翔時の空気との摩擦によって急激な加熱（空力加熱）を受ける。特に、飛翔体の先端部分に設置されるレドームは、空力加熱によって約１０００℃程度まで加熱される。その為、レドームの材料には耐熱性と耐熱衝撃性が求められる。さらに、飛翔体は、飛翔時に目標までの距離や方位を計測する為、飛翔体先端に設置されたレドームを介して電波の送受信を行う必要がある。従って、レドームには、電波透過性も要求される。このようなレドームの要求性能を満たす材料として、一般に低熱膨張率のファインセラミック（熱膨張率：３ppm/℃以下）が使用されている。一方、飛翔体本体には、軽量、低コストの観点から例えばアルミニウム合金（熱膨張率：２３ppm/℃程度）が使用されている。このように、レドームと飛翔体本本体には、大きな熱膨張率差がある為、両者を直接接合した構造にすると、飛翔時の空力加熱によって接合部分に大きな熱応力が発生し、レドームに割れやクラックが発生してしまう。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１では、レドームの熱膨張率に近いCFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics、熱膨張率：０．５ppm/℃程度）を材料としたレドームリングを介して、レドームと飛翔体本体を接合することで、飛翔時の空力加熱による熱応力の発生を抑制した飛翔体用レドームが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
飛翔時の空力加熱による熱応力を緩和する為のレドームリングとレドームは、例えば樹脂製の接着剤を用いて接合される。その為、飛翔時の空力によって加熱されたレドームからレドームの熱伝導によって接合部に熱が伝わり、樹脂製の接着剤が熱劣化することでレドームの脱落が発生する場合がある。上記従来の技術、例えば、特許文献１では、このような、レドームとレドームリングの接合部の接着剤を熱劣化から護る対策がなされていない。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、飛翔時の空力加熱に耐え得る耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、かつ、レドームとレドームリングとの接着部（接着剤）の熱劣化を防止可能な飛翔体用レドームを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、飛翔体用レドームにおいて、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、かつレドームとレドームリングの接着部の熱劣化を防止可能な飛翔体用レドームについて研究した結果、飛翔時の空力加熱で最も加熱を受ける飛翔体用レドームの先端部分に高熱伝導率のセラミックを使用することで、耐熱衝撃性が良好となり、レドーム後端部分に先端部分のセラミックよりも低熱伝導率のセラミックを使用することで、レドームとレドームリングの接着部の熱劣化を防止可能なことを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明に係る飛翔体用レドームは、飛翔体の先端部に配置されるレドームと、前記レドームと樹脂性の接着剤で固定されるレドームリングとを備える飛翔体用レドームであって、前記レドームは、前記レドームの先端部分に配置され高熱伝導率のセラミックからなるレドーム先端部と、前記レドームの後端部に配置され、前記レドーム先端部よりも低熱伝導率のセラミックからなるレドーム後端部とから構成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レドームが空力加熱された際にレドーム表面と内部の温度差が小さくなる為、耐熱衝撃性が向上する。また、後端部分に低熱伝導率のセラミックを使用することで、空力加熱で発生したレドーム先端部分の熱がレドームリングとの接着部に流入することを抑制可能になり、接着剤の熱劣化によるレドームの脱落を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１における飛翔体用レドームを搭載した飛翔体の断面模式図の例である。
【図２】実施の形態１における飛翔体用レドームを搭載した飛翔体の他の断面模式図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１.
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態における飛翔体用レドームを搭載した飛翔体の断面模式図である。図１において、飛翔体用レドーム１０は、レドーム１と、レドームリング２と、レドームとレドームリングの接着部４とからなる。レドームリング２は飛翔体本体３と接合される。レドーム１は、レドーム１の先端部分を構成するレドーム先端部５と、前記レドームの後端部分を構成するレドーム後端部分６からなる。レドーム先端部５は後述のように高熱伝導セラミックからなり、レドーム後端部分６は低熱伝導セラミックからなる。また、レドーム先端部５とレドーム後端部分６は例えばガラスペーストでつなぎ合わせられている。なお、本発明と直接関係のない飛翔体の構成についてはここでは説明を省略する。
【００１２】
飛翔体が超音速で飛翔した際には、レドームと空気との摩擦熱によって、レドーム表面から加熱され、短時間で約１０００℃程度まで温度が上昇する。その為、レドームに使用するセラミック材料の熱伝導率が低い場合には、レドーム表面と内部の温度差が大きくなり、セラミック材料の破壊強度を超える熱応力が発生し、割れやクラックが発生してしまう。特に、レドーム先端部分が最も空力による加熱を受ける為、表面と内部の温度差による熱応力が発生し易く、熱衝撃による割れやクラックが発生し易い。また、レドーム表面と内部の温度差による熱応力は、レドームに使用するセラミックの熱膨張率にも依存し、熱膨張率が大きいほど、大きな熱応力が発生する。従って、レドーム先端部分に低熱膨張率かつ高熱伝導率のセラミックを使用することで、空力で加熱された際の表面と内部の温度差を緩和し、熱応力の発生を抑制することが可能となる。これにより、レドームの耐熱衝撃性が飛躍的に向上する。特に、レドーム先端部分の高熱伝導セラミックが、５ppm/℃以下の熱膨張率を有し、かつ２０W/(m・K)以上の熱伝導率を有していると、熱応力の発生を緩和する効果が大きく、レドームの耐熱衝撃性がさらに向上する。
【００１３】
レドーム先端部分に使用する高熱伝導セラミックとしては、低熱膨張率かつ高熱伝導率であること以外に、電波透過性の観点から、誘電率が８．０以下の低誘電率を有することが好ましい。このような、セラミック材料としては、例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、サイアロンおよび、これらのうち2種類以上のセラミック材料を複合化した複合セラミック材料(例えば、窒化ホウ素と窒化ケイ素の複合材料)等が使用できる。
【００１４】
一方、レドームの耐熱衝撃性を向上させる為に、高熱伝導率のセラミックを使用すると、飛翔時の空力で加熱されたレドーム先端部分の熱が、熱伝導によってレドーム末端部分まで伝わり易くなり、レドームとレドームリングとの接合部分の温度が高くなる。接合部分の温度が、接着剤のガラス転移温度以上に高温になったり、さらに接着剤の熱分解温度以上に高温になると、接合部分の接着剤の軟化や熱劣化によって、レドームの脱落が起こるという問題がある。
そこで、本発明では、レドーム後端部分に、先端部分の高熱伝導セラミックよりも低熱伝導率のセラミックを使用することで、空力で過熱されたレドーム先端部分の熱が、レドーム末端部分に伝わることを抑制し、レドームとレドームリングの接合部分の接着剤の熱劣化を防止している。
【００１５】
特に、レドーム後端部分の高熱伝導セラミックが、５W/(m・K)以下の熱伝導率を有していると、空力で過熱されたレドーム先端部分の熱が、レドーム末端部分に伝わることを抑制する効果が大きく、レドームとレドームリングの接合部分の接着剤の熱劣化を防止する効果が大きい。
このようなレドーム後端部分の低熱伝導セラミックとしては、例えば、シリカ、コージェライト、ムライト、ジルコン、ジルコニア、パイロセラム、フォルステライトおよび、これらのうち2種類以上のセラミック材料を複合化した複合セラミック材料(例えば、コージェライトとジルコンの複合材料)等が使用できる。
ここで、セラミックの熱伝導率は、JIS C2141に記載のレーザーフラッシュ法で測定した値をいう。
【００１６】
本発明の飛翔体用レドームは、先端部分と後端部分に異なる材質のセラミックを使用した異材質セラミック接合体である為、先端部分と後端部分の接合界面での熱膨張差による割れやクラックを防止する観点から、先端部分の高熱伝導セラミックと後端部分の低熱伝導セラミックの熱膨張差が３ppm/℃未満であることが好ましい。また、図２に示すように、レドーム先端部分の高熱伝導セラミックと後端部分の低熱伝導セラミックの間に、別のセラミック材料（レドーム中間部分７）を数種類配置した構造とした場合には、それぞれ隣り合うセラミック材料の熱膨張率差が3ppm/℃未満であることが好ましい。
ここで、セラミックの熱膨張率は、熱膨張率測定装置を用い、JIS C2141に記載の方法で測定した値をいう。
【００１７】
本発明の飛翔体用レドームの製造方法としては、高熱伝導率のセラミック粉末と、低熱伝導率のセラミック粉末をそれぞれ造粒する工程と、高熱伝導のセラミック造粒粉と、低熱伝導のセラミック造粒粉をそれぞれ成形する工程と、高熱伝導のセラミック成形体と、低熱伝導のセラミック成形体を接合する工程と、高熱伝導のセラミック成形体と、低熱伝導のセラミック成形体の接合体を焼成する工程を有することを特徴とする前記飛翔体用レドームの製造方法である。
【００１８】
また、本発明の飛翔用レドームの別の製造方法としては、高熱伝導率のセラミック粉末と、低熱伝導率のセラミック粉末をそれぞれ造粒する工程と、高熱伝導のセラミック造粒粉と、低熱伝導のセラミック造粒粉をそれぞれ成形する工程と、高熱伝導のセラミック成形体と、低熱伝導のセラミック成形体をそれぞれ焼成する工程と、高熱伝導のセラミック焼成体と、低熱伝導のセラミック焼成体を、ガラス粉末を溶剤に分散させたガラスペーストで接合する工程とを有することを特徴とする前記飛翔体用レドームの製造方法である。前記ガラス粉末としては、接合部の割れを防止する観点から、5 ppm /℃以下の熱膨張率を有するガラス粉末が好ましく、さらに、軟化点温度が４００℃〜８００℃の範囲にあるガラス粉末が、接合時の作業性の観点から、好ましい。このような特性を有するガラス粉末としては、ホウ珪酸亜鉛ガラス粉末が、特に好ましい。
【００１９】
このような構成を有する飛翔体用レドームは、耐熱衝撃性に優れ、レドームとレドームリングの接合部の接着剤の熱劣化を防止可能なものとなる。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例１〜６及び比較例１〜４により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
表１に、実施例及び比較例で用いた飛翔体用レドームの先端部分に使用したセラミック材料の種類およびその特徴を示す。表１において、Ｎｏ．Ａ〜Ｅは、上記レーザーフラッシュ法によって測定された熱伝導率が各々２．３W/(m・K)〜４４W/(m・K)に、上記熱膨張率測定装置によって測定された熱膨張率が２．１〜８．２ｐｐｍ/℃になるように調整されたセラミック焼結体である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
また、表２に実施例及び比較例で用いた飛翔体用レドームの後端部分に使用したセラミック材料の種類およびその特徴を示す。表２において、Ｎｏ．Ａ〜Ｅは、上記レーザーフラッシュ法によって測定された熱伝導率が各々１．１W/(m・K)〜９．６W/(m・K)に、上記熱膨張率測定装置によって測定された熱膨張率が０．５２〜５．８ｐｐｍ/℃になるように調整されたセラミック焼結体である。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
実施例１.
表１のＮｏ．Ｂのセラミック粉末４０重量部と水５９重量部とポリビニルアルコール１重量部をボールミルで混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥することで、Ｎｏ．Ｂの造粒粉を作製した。レドーム先端部分の形状の金型を用いて、冷間等方圧プレス機（CIP）でＮｏ．Ｂの造粒粉を成形し、レドーム先端部分の形状の成形体を作製した。作製した成形体を窒素雰囲気中１９００℃で２時間焼成し、表１のＮｏ．Ｂを用いた焼結体を作製した。
【００２５】
次に、表２のＮｏ．Ａのセラミック粉末４０重量部と水５９重量部とポリビニルアルコール１重量部をボールミルで混合し、スラリーを作製した。作製したスラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥することで、Ｎｏ．Ａの造粒粉を作製した。レドーム後端部分の形状の金型を用いて、冷間等方圧プレス機（CIP）でＮｏ．Ａの造粒粉を成形し、レドーム後端部分の形状の成形体を作製した。作製した成形体を空気雰囲気中１４５０℃で２時間焼成し、表２のＮｏ．Ａの焼結体を作製した。
【００２６】
上記で作製したレドーム先端部分の焼結体と後端部分の焼結体を、ホウ珪酸亜鉛ガラス（ZnO-SiO2-B2O3、熱膨張率：4.3ppm/℃）粉末を溶剤（ターピネオール）に分散したガラスペーストでつなぎ合わせ、空気中６７０℃で1時間焼成することで接合し、飛翔体用レドームを作製した。
【００２７】
実施例２.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｃを用いたこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００２８】
実施例３.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｄを用いたこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００２９】
実施例４.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｃを用いたこと、およびレドーム後端部分に表２のＮｏ．Ｂを用い、１２５０℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３０】
実施例５.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｃを用いたこと、およびレドーム後端部分に表２のＮｏ．Ｃを用い、１４００℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３１】
実施例６.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｃを用いたこと、およびレドーム後端部分に表２のＮｏ．Ｄを用い、１３５０℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３２】
比較例１.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ａを用い、空気中１４５０℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３３】
比較例２.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｃを用いたこと、およびレドーム後端部分に表２のＮｏ．Ｅを用い、窒素雰囲気中１９００℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３４】
比較例３.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｅを用い、空気雰囲気中１５００℃で焼成したこと、およびレドーム後端部分に表２のＮｏ．Ｃを用い、１４００℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３５】
比較例４.
レドーム先端部分に表１のＮｏ．Ｅを用い、空気雰囲気中１５００℃で焼成したこと以外は、実施例１と同様にして飛翔体用レドームを得た。
【００３６】
上記実施例１〜６および比較例１〜４で得られた飛翔体用レドームについて、飛翔時の空力加熱を模擬した高温アーク暴露試験を実施した。高温アーク暴露試験には、アーク放電によって、気体（空気）にエネルギーを供給し、高温、高速の気流を生成する高温アーク暴露試験装置を用いた。高温、高速の気流が発生するノズルから５０ｍｍ離れた位置にレドームを取り付けた飛翔体を設置し、高温、高速の気流に１０秒間暴露した。このとき、アークを発生させる出力（電流値）を１５０Aとして、試験を行った。
アーク暴露試験後の耐熱衝撃性の評価として、レドーム先端部分のセラミック材料の高温アーク暴露試験前の３点曲げ強度と、試験後の３点曲げ強度を測定し、下記の式から高温アーク試験前後での３点曲げ強度比を算出し、表３にまとめた。
【００３７】
耐熱衝撃性＝[高温アーク暴露試験後の３点曲げ強度]/[ 高温アーク暴露試験前の３点曲げ強度]
【００３８】
また、空力加熱時のレドームとレドームリングの接合部の接着剤の熱劣化の評価として、高温アーク暴露試験時のレドームの脱落の有無を評価し、表３にまとめた。
【００３９】
【表３】
2014195231.tif 000005
【００４０】
表３に示されているように、実施例１〜３のように、レドーム先端部分のセラミックの熱伝導率が２０W/(m・K)以上であると、高温アークによる熱衝撃を受けても、３点曲げ強度の劣化が少なく、耐熱衝撃性が向上している。一方、比較例１のように、セラミック先端部分のセラミックの熱伝導率が低いと、高温アークの熱衝撃によって、３点曲げ強度が約1/2に低下し、耐熱衝撃性が向上しない。
また、実施例１および４〜６のように、レドーム後端部分のセラミックの熱伝導率が５W/(m・K)以下であると、高温アーク暴露時のレドームの脱落が発生しない。これは、高温アークで加熱されたレドーム先端部分の熱が、レドームとレドームリングの接合部に伝わりにくく、接着剤の熱劣化が抑制された効果と考えられる。一方、比較例２のように、レドーム後端部分の熱伝導率が高いと、高温アーク暴露時にレドームの脱落が発生する。
【００４１】
さらに、比較例３〜４のように、レドーム先端部分のセラミックの熱膨張率が大きいと、高温アーク暴露時の熱応力が大きい為にレドームに割れが発生する。また、比較例４のように、レドーム先端部分と後端部分の熱膨張率差が大きい場合には、レドーム先端部分と後端部分の接合界面にも割れが発生する。
【００４２】
このことから、レドームの耐熱衝撃性と、レドームとレドームリングの接合部の接着剤の熱劣化には、レドームを構成するセラミック材料の熱伝導率と熱膨張率が密接に関係していることが分かる。
【００４３】
以上の結果からわかるように、本発明の飛翔体用レドームは、耐熱衝撃性に優れ、かつレドームとレドームリングの接合部の接着剤の熱劣化を防止可能なものとなっている。
【符号の説明】
【００４４】
１  レドーム、２  レドームリング、３  飛翔体本体、４  接着部（接着剤）、５  レドーム先端部、６  レドーム後端部、７  レドーム中間部分、１０  １１  飛翔体用レドーム
【図１】
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【図２】
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