(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）開口(42)を有するビークル本体(22)と、
（ｂ）ビークル本体(22)の開口(42)をカバーするサイズのベースを有するセラミックレードーム(21)と、
（ｃ）開口(42)をカバーするようにビークル本体(22)にレードーム(21)を接合する取付け構造(44)とを具備しており、この取付け構造(44)は、
（ｉ）レードーム(21)とビークル本体(22)との間に配置され、構造上ミサイル本体(22)と一体化されてその一部を形成しているコンプライアントな金属で構成された断面がＴ形の可撓性素子(46)と、
（ii）前記断面がＴ形の可撓性素子(46)とレードーム(21)との間に配置されているニオブ含有金属で構成されている座金(47)と、
（iii)レードーム(21)とニオブ含有金属座金(47)との間に介在してレードーム(21)にニオブ含有金属座金(47)をろう付けにより結合しているろう付け合金よりなる第１の取付け部(54)と、
（iv）前記断面がＴ形の可撓性素子(46)とニオブ含有金属座金(47)との間の第２の取付け部(58)とを具備しているセラミックレードーム(21)とを具備しているビークル。
【請求項２】
ビークル本体(22)はミサイル(20)のノーズである請求項１記載のビークル。
【請求項３】
レードーム(21)はサファイヤで構成されている請求項１記載のビークル。
【請求項４】
レードーム(21)は外部表面(34)と、内部表面(32)と、外部表面(34)と内部表面(32)との間に延在する下部縁部表面(36)とを有し、サファイヤは縁部表面(36)に垂直な方位の結晶学的ｃ軸を有している請求項３記載のビークル。
【請求項５】
前記ビークル本体(22)の開口(42)は実質上円形であり、前記レードーム(21)は前記開口(42)に接合するサイズの円形ベースを有し、前記断面がＴ形の可撓性素子(46)は前記開口(42)とレードーム(21)のベースとの間に配置されたリングである請求項１記載のビークル。
【請求項６】
第２の取付け部(58)はろう付けによる接合部である請求項１記載のビークル。
【請求項７】
第１のろう付け接合部(54)と第２のろう付け接合部(58)はそれぞれアクティブなろう付け材料を含んでいる請求項６記載のビークル。
【請求項８】
第１のろう付け接合部(54)のアクティブなろう付け材料は、銅約２７．２５重量％、インジウム約１２．５重量％、チタニウム約１．２５重量％、その他銀よりなる組成を有し、第２のろう付け接合部58のアクティブなろう付け材料は銅約２７．２５重量％、インジウム約１２．５重量％、その他銀よりなる組成を有している請求項７記載のビークル。
【請求項９】
前記断面がＴ形の可撓性素子(46)は、細長い可撓性のアーム区域(48)とクロスバー区域(50)とを含んでおり、レードーム(21)の下部縁部表面(36)は第１の取付け部(54)によりニオブ含有金属座金(47)の上部表面(47a) に固定され、ニオブ含有金属座金(47)の下部表面(47b) は第２の取付け部(58)によりクロスバー区域(50)に固定されている請求項１記載のビークル。
【請求項１０】
開口(42)を有するビークル本体(22)を準備し、
ビークル本体(22)の開口(42)をカバーするサイズのベースを有するセラミックレードーム(21)を準備し、
レードーム(21)とミサイル本体(22)との間に配置され、構造上ミサイル本体(22)と一体化されてその一部を形成するコンプライアントな金属の断面がＴ形の可撓性素子(46)を設け、
前記断面がＴ形の可撓性素子(46)とレードーム(21)との間にニオブ含有金属で構成された座金(47)を配置し、
レードーム(21)とニオブ含有金属座金(47)との間に配置された第１のろう付け合金(92)と、ニオブ含有金属座金(47)とコンプライアントな金属の断面がＴ形の可撓性素子(46)との間に位置される第２のろう付け合金(94)とを使用してレードーム(21)のベースをニオブ含有金属座金(47)とコンプライアントな金属の断面がＴ形の可撓性素子(46)とを介在させてビークル本体(22)の開口の端縁部にろう付けにより固定するステップを含み、第１のろう付け合金と第２のろう付け合金とはセラミックレードーム21のビークル本体(22)への固定が１度のろう付け動作で実現されるように同一のろう付け温度を有している請求項１記載のビークルの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックレードームを有するビークル、特にセラミックレードームのビークルへの取付けに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機またはミサイルのようなビークルに組込まれる外方観測レーダ、赤外線および／または可視光センサは、通常レードームと呼ばれるカバーにより保護されている。レードームはセンサにより感知される放射線を透過するウィンドウの役目を行う。これはまたセンサを保護し、空気力学的負荷を支持する構造素子として動作する。多くの場合、レードームは前方観測センサを保護しているため、レードームは大きい空気構造負荷を支持しなければならない。
【０００３】
ヘリコプタ、音速以下の航空機、地上ビークルのようにビークルが比較的低速度で移動する場合、幾つかのレードームは良好なエネルギ透過と低信号歪の非金属有機物材料から作られ、低−中間温度で小−中程度の構造負荷を支持できる。超音速の航空機またはマッハ３−２０の範囲で飛行するミサイルのような非常に高速度で飛行するこれらのビークルでは、空気力学的摩擦がレードームを有機物の最大動作温度を超える温度まで上昇するので、非金属有機物材料はレードームで使用するのに不適切である。
【０００４】
このような場合、レードームは良好な上昇温度での強度と良好なエネルギ透過特性を有するセラミック材料から作られる。しかしながら、既存のセラミックは比較的脆弱であり容易に割れる欠点を有する。割れの可能性はセラミックの小さい表面欠陥と外部的に課された応力および歪により増加される。セラミックのレードームはミサイル本体に密封して取付けられ、この本体は典型的にチタニウム合金のような高温度での強度の高い金属から作られる。
【０００５】
セラミックは比較的低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、金属のミサイル本体は比較的高いＣＴＥを有する。ミサイル本体とレードームが加熱されるとき、レードームとミサイル本体との間の結果的に生じるＣＴＥ不整合歪はレードームが脆弱な方法で割れる傾向を非常に増加し、センサとミサイル故障につながる。このような加熱はミサイルが発射航空機の機上で運搬されるときの接合動作中、またはサービス中に生じる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、脆弱な割れおよびレードーム故障の傾向が減少されるようなビークル、特に高速度ミサイルのセラミックレードームを利用する方法が必要とされる。本発明はこの必要性を満たし、さらに関連する利点を与える。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ビークル本体にセラミックレードームが固定されたミサイル等のビークルを提供する。取付け構造は、熱膨張係数差によりレードームに熱的に誘起された歪が減少または防止される構造である。取付け構造自体は幾つかの従来の取付け方法の場合のようにセラミック材料に早期の故障を起こさせる傾向はない。取付けは所望ならば密封されてもよく、それによってデリケートなセンサは外部環境の影響と、空気力学的および空気熱的負荷に対して保護される。
【０００８】
本発明にしたがって、セラミックレードームを有するビークルは、開口を有するビークル本体と、ビークル本体の開口をカバーするサイズのセラミックレードームとを具備している。本体はレードーム材料（セラミック）と本体材料（金属）との間の異なる熱膨張係数のために可撓性を与えるためにレードームの取付け区域では厚みを薄くされる。ニオブを含みリング形にパンチされている薄い平坦な金属座金はその後、薄くされた本体とレードームとの間でろう付けされる。ニオブ含有金属座金をレードームへろう付けするろう付け材料は、Ｉｎｃｕｓｉｌ  ＡＢＡを含み、ニオブ含有金属座金をビークル本体へろう付けするろう付け材料は、Ｉｎｃｕｓｉｌ−１５またはそれに等価な材料を含んでいる。２つの前述のＩｎｃｕｓｉｌ合金のろう付け温度は実質上同一であり、従来技術で必要とされた２つの別々のろう付け動作ではなく、１度のろう付け動作でセラミックレードームをビークル本体へろう付けすることを可能にする。
【０００９】
（ａ）本体の取付け区域を薄くし、（ｂ）本体とレードーム間にニオブ座金を使用した結果として、ニオブ座金を薄くされた本体へろう付けするために使用される合金はレードームをニオブ座金へろう付けするために使用されるろう付け合金とほぼ同一のろう付け温度を有するので、ただ１度のろう付け動作しか行われる必要がない。ろう付け動作数は２回から１回へ減少される。さらに、金属シートから容易にパンチされることができるニオブ座金の使用は、本体とレードームとの間に成形されたニオブ遷移金属リングを提供する必要性をなくす。したがって、時間と材料価格との両者は著しく減少される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のその他の特徴および利点は、例示により本発明の原理を示している添付図面を伴った以下の好ましい実施形態のさらに詳細な説明から明白であろう。しかしながら本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
図１は、ここではレードーム21が取付けられているミサイル20として示されているビークルを示している。レードーム21はミサイルが飛行するとき前向きであり、それ故良好な空気力学的特性と良好な放射透過特性との妥協を実現する湾曲した曲面で設けられる。ミサイル20は前端部24、後端部26、本体軸27を備えたミサイル本体22を有する。ミサイル本体22はほぼ円筒形であるが、完全に円筒形である必要はない。可動制御フィン28とエンジン30（その後方部が図１で見られる）はミサイル本体22に支持されている。ミサイル本体の内部には図１では見ることのできない付加的なコンポーネントがあり、それらは技術によく知られており、例えばセンサを有する探索装置、誘導制御装置、制御フィンを動作するモータ、弾頭、供給燃料を含んでいるが、その詳細な構造は本発明には関係がない。
【００１１】
図２はレードーム21がミサイル本体22に取付けられているミサイル本体22の前端部24の区域を示している。レードーム21は内部表面32、外部表面34、内部表面32と外部表面34との間に延在する下部縁部表面36を有する。下部縁部表面36は本体軸27にほぼ垂直である。レードーム21はセラミック材料から作られる。好ましくは、レードーム21は酸化アルミニウムの形態のサファイヤから作られる。構造上の理由で、レードーム21は縁部表面36にほぼ垂直な（しかし必ずしも正確に垂直である必要はない）サファイヤの結晶学的ｃ軸38で製造されることが好ましい。したがって、縁部表面36に近いレードーム21区域では、サファイヤの結晶学的ａ軸40は内部表面32と外部表面34にほぼ垂直である（しかし必ずしも完全に垂直である必要はない）。しかしながら幾つかの応用では、サファイヤの結晶学的方位はａ軸またはｃ軸以外の軸に沿ってもよく、それによって例えば1997年８月19日出願の米国特許第08/914,842号明細書に開示されているような空気力学的負荷のためのある構造上の利点を与えることができる。
【００１２】
ミサイル22のほとんどの前端部はノーズ開口42を限定し、これはミサイル本体が通常円筒形であるので、この場合は円形である。取付け構造44はレードーム21をミサイル本体22へ接合し、開口42をカバーし包囲する。取付け構造は可揺型“Ｔ”可撓性素子46を含み、これはミサイル本体22の一体化された部分である。“Ｔ”可撓性素子46は全体的な開口42周辺に延在するリング形状を有するが、図２では断面で示されている。
【００１３】
“Ｔ”可撓性素子46は断面がＴ形を有し、ミサイル20の本体軸27にほぼ平行に延在する細長い可揺型アーム区域48を具備している。アーム区域48は１端部48ａでミサイル本体22に固定され、ミサイル本体と一体化されている。反対側の端部48ｂに固定されているクロスバー区域50はアーム区域48に垂直であり、通常本体軸27にほぼ垂直である。アーム区域48とクロスバー区域50はミサイル本体22の一部分として一体化して形成される。アーム区域48とクロスバー区域50は“Ｔ”可撓性素子46のリングの全周にわたって完全に延在することが好ましい。基本的に、ミサイル本体22はアーム区域48の領域で薄くされ、以下さらに十分に説明するように可撓性を与える。アーム区域48を薄くすることは一般的であり、本発明の特徴の一部を形成するものではない。
【００１４】
レードーム21はニオブ含有金属座金47により第１の取付け部で“Ｔ”可撓性素子46に接合される。第１の取付け部は“Ｔ”可撓性素子46のニオブ座金47の上部表面47ａと、セラミックレードーム21の下部縁部表面36との間の第１のろう付け突合わせ接合部54である。第１のろう付け突合わせ接合部54はろう付け動作中にレードーム21の材料と化学反応するアクティブろう付け合金を使用して形成されることが好ましい。
【００１５】
この突合わせ接合部54の形成において、ろう付け合金が内部表面32または外部表面34ではなくレードーム21の下部縁部表面36にのみ接触することに注意すべきである。突合わせ接合部54の形成に使用されるアクティブなろう付け合金の溶解形態は、サファイヤ材料の結晶学的ａ軸40に垂直に位置するレードームの内部表面32および外部表面34に損傷を与える可能性がある。サファイヤ材料の結晶学的ｃ軸38に垂直に位置する下部縁部表面36はアクティブなろう付け合金による損傷にさらに抵抗性がある。したがってサファイヤレードームの下部縁部表面36に対してだけの突合わせ接合部の使用は取付け方法により誘発されるサファイヤ材料に対する損傷を最小にする。
【００１６】
レードーム21の“Ｔ”可撓性素子46に対する突合わせ接合の使用は２つの構造の接合、重ね継ぎまたは剪断接合を形成するためのさらに普通に使用される方法と対照される。この場合、重ね継ぎは２つの理由で望ましくない。第１の理由は、先の段落で説明したように、重ね継ぎは溶解ろう付け合金による損傷により敏感であるレードームの内部および／または外部表面にろう付け合金を必然的に接触させることである。第２の理由は、重ね継ぎまたは剪断接合はレードームの内部または外部表面に沿って上方向にある距離だけ延在し、レードームと共に位置されるセンサの側面観察角度が減少することである。即ち、さらに不透明の重ね継ぎはレードームの表面に沿って延在し、センサに有効な観察角度が少なくなる。応用によっては、この側面観察角度の減少は重要である。
【００１７】
ニオブ含有金属座金47は第２の取付け部で“Ｔ”可撓性素子46に接合される。第２の取付け部は座金の下部表面47ｂとクロスバー区域50の上部表面50ａとの間に第２のろう付け突合わせ接合部58を含んでいる。
【００１８】
ミサイル本体22はチタニウム合金のような金属から作られることが好ましい。ミサイル本体22のチタニウム合金とレードーム21のサファイヤは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。製造中またはサービス中にミサイル20が加熱され、冷却されるとき、この熱膨張係数の差はレードーム21とミサイル本体22の総膨張を相違させる。この差はレードーム21およびミサイル本体22に熱で誘起された応力をはじめに発生する。熱によって誘起した応力は金属ミサイル本体構造には比較的小さい影響を有するだけであるが、これらはレードーム21のセラミック材料で大きな損傷と、故障応力の減少を発生することができる。“Ｔ”可撓性素子46とニオブ含有金属座金とを組み合わせる本発明の方法はこのような熱的に誘起された応力を防止または最少にする。
【００１９】
“Ｔ”可撓性素子46はミサイル本体22と同一の金属または金属合金から作られる。アーム区域48は比較的薄く作られ、それによってこれはミサイル本体22とレードーム21の熱膨張係数の差を適合するように屈折し撓むことができる。換言すると、熱的に誘起された応力はレードーム21ではなく“Ｔ”可撓性素子46のアーム区域48へ誘導される。さらに、ニオブ含有金属座金47はサファイヤドーム21とチタニウム本体22との間のＣＴＥ不整合ブリッジとして動作する。
【００２０】
図３は、図２でも示されているようにろう付け接合部62によりミサイル本体22にろう付けされた空気リング60が“Ｔ”可撓性素子46とニオブ含有金属座金47を飛行中の空気力学的応力および温度から保護するために使用される別の実施形態を示している。図２では、空気リング60はニオブ含有金属座金47から隔てられているように示されており、図３では空気リングは座金の下部表面47ｂの一部に対して突合わせられ、多硫化物のような耐熱ポリマー64によって密封される。
【００２１】
図４はミサイル本体22に接合されたレードーム21を有するミサイル20を製造する方法を示している。（１）ブロック71における空気リング60と（２）ブロック72における機械加工され一体化した“Ｔ”可撓性素子46およびニオブ含有金属座金47と（３）ブロック74におけるセラミックレードーム21と共に、ブロック70においてミサイル本体22が与えられている。開口42と“Ｔ”可撓性素子46を形成するミサイル本体22の部分は、好ましくは、重量パーセントでアルミニウム６％、バナジウム４％、その他チタニウムの構成を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖのようなチタニウム合金である。座金47は好ましくは重量パーセントでジルコニウム１％、その他ニオブの構成を有するニオブベースの合金である。他の金属または合金は、それらがサファイヤの約０．５％内の熱膨張係数を有し、強度等の他の必要な機械的特性を満たす限り、説明したニオブベースの合金の代わりに使用されてもよい。このような他の金属および合金の例はタンタル、タンタル−タングステン、コバール（Kovar ）を含むが、このような金属および合金は主に価格の面で、ここで説明したニオブベースの合金よりも好ましくない。容易に利用可能でシートストックから容易にパンチされ、好ましいレードーム材料のサファイヤに比較的近い熱膨張係数を有するので、ニオブベースの合金はさらに好ましい。
【００２２】
比較的低温（約１３００°Ｆ）のろう付け合金が、それぞれブロック76とブロック78で示されているように、座金47をセラミックレードーム21とミサイル本体22のアーム区域48の両者にろう付けするために提供される。ろう付け合金はミサイル本体22（および“Ｔ”可撓性素子46）とレードーム21の材料に匹敵するように選択される。従来の方法は好ましいろう付け合金としてGapasil 9 を使用しており、例えば米国特許出願第08/710,051号明細書を参照する。Gapasil 9 は銀約８２％，パラジウム約９％、ガリウム約９％の重量パーセントの構成を有し、ろう付け温度約１７００°Ｆのアクティブではないろう付け合金である。
【００２３】
この従来技術の方法では、０．５インチのチューブストック材料と、位置付けの要求を満たすために正確な機械加工とを必要とする遷移金属リングが使用され、これは２つの別々のろう付け動作を必要とし、一方のろう付け動作はセラミックレードーム21を遷移リングにろう付けし、他方のろう付け動作は遷移リングをミサイル本体22へろう付けする。
【００２４】
本発明にしたがって、Gapasil 9 はIncusil-15またはそれに等価の物に置換される。Incusil-15ろう付け合金はろう付け接合部58を形成するためニオブ座金47をチタニウム“Ｔ”可撓性素子46へろう付けするために使用される。IncusilABA ろう付け合金はろう付け接合部54を形成するためにサファイヤドーム21をニオブ座金47へろう付けするために使用される。Incusil-15とIncusil ABA はＷＥＳＧＯ社の登録商標名である。Incusil ABA は重量パーセントで銅約２７．２５％、インジウム約１２．５％、チタニウム約１．２５％、その他銀の構造を有するアクティブなろう付け合金であり、Incusil-15は基本的にIncusil ABA と同一の組成を有するがチタニウムが少ない。両合金は約１３００°Ｆのろう付け温度を有する。
【００２５】
ろう付け合金はそれぞれブロック76とブロック78で示されているように、ニオブ座金47とセラミックレードーム21との間に位置される第１のろう付け合金ディスク92と、ニオブ座金47とチタニウム“Ｔ”可撓性素子46との間に位置される第２のろう付け合金ディスク94の形態で設けられる。ろう付けはブロック80において、ミサイル本体22、“Ｔ”可撓性素子46、ニオブ座金47、間にろう付け合金座金92、94を有するレードーム21をろう付け合金を溶解し、自由に流動させるのに十分なろう付け温度、約１３３０°Ｆまで加熱することにより実現される。ろう付けは約８×１０-5トル以下の真空で実現され、温度サイクルは室温から約１３００°Ｆのろう付け温度までの温度上昇期間と、９分間のろう付け温度の保持と、周囲温度までの温度降下期間とを含んでおり、サイクルの総時間は約５時間である。
【００２６】
前述したように、ろう付け合金がレードーム21の内部表面32または外部表面34と接触せず、ろう付け合金が縁部表面36にのみと接触することが非常に望ましい。これを実現するために、第１のろう付け合金は図５を参照するように縁部表面36とニオブ含有金属座金47の上部表面47ａとの間に適合するフラットディスク92形状で供給されている。ろう付け素子座金92の量は溶解するとき、ろう付け材料が縁部表面36とニオブ含有金属座金47との間の区域を丁度充填するように選択される。表面32と34に過剰なろう付け合金が流れない。
【００２７】同様に、第２のろう付け合金はニオブ含有金属座金47の下部表面47ａとクロスバー区域50の上部表面50ａとの間に適合するフラットディスク94形状で供給されている。
【００２８】
セラミックレードーム21をミサイル本体22に接合するろう付け動作中、空気リング60が第２のろう付け合金と同一の組成を有するフラットディスク96からのろう付けされた突合わせ接合62を使用してチタニウム“Ｔ”可撓性素子46周辺にろう付けされる。空気リングまたは素子60はチタニウムまたはチタニウム合金で構成され、飛行中に内部ろう付け接合部54、58を保護し、擾乱を最少にする。チタニウムはこれらの内部ろう付け接合部54、58を飛行中の空気力学的要素により発生される熱から保護するための熱遮蔽として動作する。ろう付けされた突合わせ接合部62はろう付けされた接合部54、58と同一のろう付け動作中に形成される。
【００２９】
接合部54、58は示されているように全てろう付け接合であることが好ましい。ろう付け接合は取付け構造44のハーメチックシールを形成するので好ましい。ハーメチックシールは保管中に空気中の汚染物質がミサイル本体の内部に入ることを防止する。また、気体と特定の材料がサービス中にミサイル本体の内部に入ることを防止する。他の動作可能な接合構造および接合技術が使用されてもよい。
【００３０】本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明したが、種々の変更と増強が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われてもよい。したがって本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】取付けられたレードームを有するミサイルの側面図。
【図２】図１のミサイルのレードーム取付け区域の線２−２に沿った概略拡大断面図。
【図３】図２と類似している別の実施形態を示したミサイルの概略拡大断面図。
【図４】図１、２のミサイルを処理する方法のブロックフロー図。
【図５】図２に類似しているが、ろう付け動作前のろう付け合金ピースの位置付けを示している概略拡大断面図。
【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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