(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と、表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料とからなり、内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料との２層構造となっており、任意の加熱条件で加熱を受けることによって消失するリセッション層を表面側高密度アブレータ材料から形成すると共に、炭化層を含む劣化層を内部側低密度アブレータ材料から形成したことを特徴とする高性能アブレータ材料。
【請求項２】
内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と、表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料を表面と内部に有し、表面側から内部側に向けて密度が次第に小さくなりかつ内部側から表面側に向けて密度が次第に大きくなる傾斜密度構造となっている請求項１に記載の高性能アブレータ材料。
【請求項３】
表面側高密度アブレータ材料は、繊維強化樹脂よりなっていると共に、内部側低密度アブレータ材料はマイクロバルーンを含んだ繊維強化樹脂よりなっている請求項１または２に記載の高性能アブレータ材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、飛翔体の表面を高熱ガスから保護するのに利用される高性能かつ軽量なアブレータ材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛翔体が地球や惑星の大気に突入する場合には、大気との摩擦によって高熱状態となることから、飛翔体の表面を高熱ガスから保護することによって内部機器への熱影響を回避する必要がある。
【０００３】
従来、このような熱保護のための方法としては、例えば、
（ｉ）比較的弱い加熱を長時間受ける場合に適したものとして、耐熱性に優れた表面材料を高温に保持し、表面からの輻射放熱によって熱保護を行うようにした輻射冷却法、具体的には、耐熱タイルを用いる方法や、
（ｉｉ）比較的強い加熱を短時間受ける場合に適したものとして、熱容量の大きい機体で熱を吸収して、機体表面の溶融・燃焼等による変形を防ぐようにした加熱吸収法、具体的にはノーズキャップを用いる方法や
（ｉｉｉ）強い加熱を長時間受ける場合に適したものとして、樹脂を主材料とする表面材の熱分解・燃焼・昇華に伴う低温気体の噴出によって加熱を減じ、高温表面からの輻射冷却と併せて熱防護を行うようにしたアブレーション法、具体的には高密度アブレータ材料や低密度アブレータ材料を用いる方法などがある。
【０００４】
本発明は、上記（ｉｉｉ）のアブレーション法に採用される高性能アブレータ材料に関するものであるが、従来の高密度アブレータ材料としては、密度ρが約１．７４ｇ／ｃｍ３前後のＳｉＯ２繊維強化樹脂（ＳｉＯ２−ＦＲＰ）や、密度ρが約１．３８ｇ／ｃｍ３前後のＣ繊維強化樹脂（Ｃ−ＦＲＰ）などが使用されていた。
【０００５】
また、従来の低密度アブレータ材料としては、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，フェノール樹脂などの樹脂にマイクロバルーンを混合することによって密度ρが約０．４０〜０．６０ｇ／ｃｍ３となるように低密度化して短繊維（カーボン，シリカ，ポリアミド（ナイロン）等）で素材を強化したものなどが使用されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の高密度アブレータ材料では、リセッション量（表面後退量）が少なく、加熱率１０〜１５ＭＷ／ｍ２程度の高加熱にも耐えることが可能であるという利点を有しているものの、高密度であるため重量が増大する傾向にあると共に、断熱性があまり良くないため内部機器に対する熱保護性に劣るという問題点があった。
【０００７】
また、上記した従来の低密度アブレータ材料では、低密度であるため重量を軽減することが可能であると共に断熱性が良好であるためある程度の厚さを有している間は内部機器に対する熱保護性に優れているという利点を有しているものの、リセッション量が多く、加熱率３ＭＷ／ｍ２程度までしか耐えることができないという問題点があったことから、これらの問題点を解消することが課題としてあった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、高密度アブレータ材料だけを用いる場合ほどに重量の増加がないにもかかわらず、高密度アブレータ材料を用いた場合と同程度にリセッション量が少なく、加熱率１０〜１５ＭＷ／ｍ２程度の高加熱にも耐えることが可能であって形状安定性（均一リセッション性）ならびこれに影響する方向制御性にも優れたものとすることができ、さらには高密度アブレータ材料だけを用いた場合よりも断熱性を向上させることが可能であって内部機器に対する熱保護性をより一層向上させることが可能である高性能アブレータ材料を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる高性能アブレータ材料は、請求項１に記載しているように、内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と、表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料とからなり、内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料との２層構造となっており、任意の加熱条件で加熱を受けることによって消失するリセッション層を表面側高密度アブレータ材料から形成すると共に、炭化層を含む劣化層を内部側低密度アブレータ材料から形成したことを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係わる高性能アブレータ材料の実施態様においては、請求項２に記載しているように、内部側に比べて密度の高い表面側高密度アブレータ材料と、表面側に比べて密度の低い内部側低密度アブレータ材料を表面と内部に有し、表面側から内部側に向けて密度が次第に小さくなりかつ内部側から表面側に向けて密度が次第に大きくなる傾斜密度構造となっている構成のものとすることができる。
【００１１】
同じく、本発明に係わる高性能アブレータ材料の実施態様においては、請求項３に記載しているように、表面側高密度アブレータ材料は、繊維強化樹脂よりなっていると共に、内部側低密度アブレータ材料はマイクロバルーン（例えば、球径が０．０５〜０．３ｍｍ程度のもの）を含んだ繊維強化樹脂よりなっている構成のものとすることができる。表面側高密度アブレータ材料の密度は、１．２０〜１．９０ｇ／ｃｍ３であるものとすることができ、内部側低密度アブレータ材料の密度は、０．４０〜１．２０ｇ／ｃｍ３であるものとすることができる。
【００１２】
本発明に係わる高性能アブレータ材料は、上記した構成を有するものであるが、このようなアブレータ材料は、図１にアブレータ材料１の断面を示すように、表面で加熱を受けることによって消失するリセッション層Ｒと、炭化層Ｃを含む劣化層Ｉと、炭化ないしは劣化を生じないバージン層Ｖとを有し、サポートＳにより支持されたものとなっている。
【００１３】
そこで、本発明に係わる高性能アブレータ材料１では、表面のリセッション層Ｒを表面側高密度アブレータ材料から形成すると共に、バージン層Ｖを内部側低密度アブレータ材料から形成し、炭化層Ｃや劣化層Ｉは低密度アブレータ材料から形成したものとする。
【００１４】
より具体的には、表面側を構成する高密度アブレータ材料と内部側を構成する低密度アブレータ材料との２層構造をなすものとすることができ、製造に際しては、まず、ＳｉＯ２−ＦＲＰやＣ−ＦＲＰなどの高密度アブレータ材料を成形したのち、積層面にサンドブラスト等を施して表面荒しを行ったあと、シリカマイクロバルーンやガラスマイクロバルーン等の微小球体（例えば、球径が０．０５〜０．３０ｍｍ程度のもの）を含むＳｉＯ２−ＦＲＰやＣ−ＦＲＰなどの低密度アブレータ材料を成形して一体物とする。
【００１５】
また、高密度アブレータ材料を成形したのち、比較的少量のマイクロバルーンを含む中密度アブレータ材料を成形し、さらに比較的多量のマイクロバルーンを含む低密度アブレータ材料を成形してこれらを一体物とした３層構造のアブレータ材料とすることができる。
【００１６】
さらには、高密度アブレータ材料を成形したのち、比較的少量のマイクロバルーンを含む中高密度のアブレータ材料を成形し、さらに比較的中量のマイクロバルーンを含む中低密度のアブレータ材料を成形し、さらに比較的多量のマイクロバルーンを含む低密度のアブレータ材料を成形してこれらを一体物とした４層構造のアブレータ材料とすることもできる。
【００１７】
さらにまた、表面側の高密度アブレータ材料から内部側の低密度アブレータ材料へと、マイクロバルーンの含有量が次第に多くなるようにすることによって表面側から内部側へと密度が次第に低下するようにした傾斜密度構造のアブレータ材料とすることも可能である。
【００１８】
【発明の作用】
本発明に係わる高性能アブレータ材料は、表面側高密度アブレータ材料と内部側低密度アブレータ材料との２層構造であって、表面側のリセッション層が高密度アブレータ材料により形成され、内部側の炭化層を含む劣化層が低密度アブレータ材料により形成されていることによって、従来の全体が高密度アブレータ材料からなるものと同程度にリセッション量が少なく、加熱率１０〜１５ＭＷ／ｍ２程度の高加熱にも耐え得るものとなり、リセッションを生じるとしてもこれが均一に生じやすいものとなって形状安定性が良好なものとなり、大気圏飛翔時における飛翔体の方向の制御性が著しく向上したものとなる。そして、従来の高密度アブレータ材料からなるものよりも断熱性がさらに向上したものとなり、内部機器に対する熱保護性がより一層向上したものになると共に、より一層の軽量化が可能な高性能のアブレータ材料となる。
【００１９】
そして、請求項２に記載の構成とすることによって、密度の急変部位がなくなることにより内部で熱応力ないしは熱歪みが生じがたい高性能のアブレータ材料となる。
【００２０】
さらに、請求項３に記載の構成とすることによって、マイクロバルーンの含有率を変えるだけでアブレータ材料の密度が適宜に調整されることとなる。
【００２１】
【実施例】
この実施例では、表１に示す特性をもつ高密度のアブレータ材料と低密度のアブレータ材料を用いて実施した。
【００２２】
【表１】
0003568269.tif 000002
【００２３】
参考例１
図２に示す構造において、リセッション量Ｒｔを５ｍｍとし（ただし、安全率を１．２５とする。）、劣化量Ｉｔを１４ｍｍとし（ただし、このうち炭化量Ｃｔを６ｍｍとする。）てこの部分を高密度の表面側アブレータ材料から形成すると共に、バージン層Ｖｔを２８ｍｍとしてこの部分を低密度の内部側アブレータ材料から形成した２層構造の参考例１による高性能アブレータ材料を得た。
【００２４】
この高性能アブレータ材料の全体厚さは４７ｍｍであり、重量は６．０９ｇ／ｃｍ２であった。
【００２５】
実施例１
図２に示す構造において、リセッション量Ｒｔを５ｍｍとし（ただし、安全率を１．２５とする。）、炭化量Ｃｔを６ｍｍとしてこの部分を高密度の表面側アブレータ材料から形成すると共に、劣化量（炭化量以下）Ｉｔを１０ｍｍとし、バージン層を２８ｍｍとしてこの部分を低密度の内部側アブレータ材料から形成した２層構造の実施例１による高性能アブレータ材料を得た。
【００２６】
この高性能アブレータ材料の全体厚さは４９ｍｍであり、重量は５．７０ｇ／ｃｍ２であった。
【００２７】
実施例２
図２に示す構造において、リセッション量Ｒｔを５ｍｍとし（ただし、安全率を１．２５とする。）てこの部分を高密度の表面側アブレータ材料から形成すると共に、劣化量Ｉｔを２０ｍｍとし（ただし、このうち炭化量Ｃｔを１０ｍｍとする。）、バージン層を２８ｍｍとしてこの部分を低密度の内部側アブレータ材料から形成した２層構造の実施例２による高性能アブレータ材料を得た。
【００２８】
この高性能アブレータ材料の全体の厚さは５３ｍｍであり、重量は５．６７ｇ／ｃｍ２であった。
【００２９】
比較例１
図２に示す構造において、リセッション量Ｒｔを５ｍｍとし（ただし、安全率を１．２５とする。）、劣化量Ｉｔを１４ｍｍとし（ただし、このうち炭化量Ｃｔを６ｍｍとする。）、バージン層Ｖｔを２９ｍｍとしてこれらの全体を表１に示す高密度のアブレータ材料により形成した単層の比較例１によるアブレータ材料を得た。
【００３０】
このアブレータ材料の全体厚さは４８ｍｍであり、重量は８．３０ｇ／ｃｍ２であった。
【００３１】
比較例２
図２に示す構造において、リセッション量Ｒｔを９ｍｍとし（ただし、安全率を１．２５とする。）、劣化量Ｉｔを２０ｍｍとし（ただし、このうち炭化量Ｃｔを１０ｍｍとする。）、バージン層Ｖｔを２８ｍｍとしてこれらの全体を表１に示す低密度のアブレータ材料により形成した単層の比較例２によるアブレータ材料を得た。
【００３２】
このアブレータ材料の全体厚さは５７ｍｍであり、重量は５．７ｇ／ｃｍ２であった。
【００３３】
実験例
次に、参考例１、実施例１，２および比較例１，２のアブレータ材料に対して、最大加熱率：１１ＭＷ／ｍ２，最大圧力：０．２５ａｔｍ，時間：５００ｓｅｃ，総加熱量４７０ＭＪ／ｍ２の実飛行を想定した再突入条件で加熱実験を行って、各材料のリセッション量および試験終了時におけるサポートＳの表面温度を調べたところ、表２に示す結果であった。
【００３４】
【表２】
0003568269.tif 000003
【００３５】
表２に示した結果より明らかなように、参考例１、実施例１および２のアブレータ材料は、軽量であり、試験終了時におけるサポートＳの表面温度が低く断熱性能に優れていると共に、試験後のリセッション量も少ないものとなっており、高密度アブレータ材料と低密度アブレータ材料の各々の特長をうまく活かした高性能アブレータ材料となっていることが認められた。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係わる高性能アブレータ材料は、表面側高密度アブレータ材料と内部側低密度アブレータ材料との２層構造であって、表面側のリセッション層が高密度アブレータ材料により形成され、内部側の炭化層を含む劣化層が低密度アブレータ材料により形成されていることによって、従来の高密度アブレータ材料からなるものと同程度にリセッション量が少なく、加熱率１０〜１５ＭＷ／ｍ２程度の高加熱にも耐え得るものとすることが可能であり、リセッションを生じるとしてもこれが均一に生じやすいものとなって形状安定性を良好なものとすることが可能であり、大気圏飛翔時における飛翔体の方向の制御性を著しく向上したものとすることが可能であるという顕著な効果がもたらされる。
【００３７】
また、従来の高密度アブレータ材料からなるものよりも断熱性がさらに向上したものすることが可能であり、内部機器に対する熱保護性をより一層向上したものとすることが可能であって、飛翔体の軽量化を可能とする高性能のアブレータ材料を提供することが可能であるという顕著な効果がもたらされる。
【００３８】
そして、請求項２に記載の構成とすることによって、密度の急変部位をなくすことができることにより内部で熱応力ないしは熱歪みが生じがたい高性能のアブレータ材料を提供することが可能となる。
【００３９】
さらに、請求項３に記載の構成とすることによって、マイクロバルーンの含有率を変えるだけでアブレータ材料の密度を適宜に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高性能アブレータ材料の構造を示す説明図である。
【図２】表面のリセッションンを生じたのちのアブレータ材料の構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１  アブレータ材料
Ｒ  リセッション層（高密度アブレータ材料）
Ｉ  劣化層（高密度アブレータ材料または低密度アブレータ材料）
Ｃ  炭化層（高密度アブレータ材料または低密度アブレータ材料）
Ｖ  バージン層（低密度アブレータ材料）
Ｓ  サポート
【図１】
0003568269.tif 000004
【図２】
0003568269.tif 000005