(57)【要約】  展開前や展開後の収容時にコンパクトな形状とすることができ、折り目痕が残存しない展開構造体を提供する。ロケットモータ１のノズル１０は、固定ノズル１１の部分と歪曲可能ノズル１２の部分からなり、歪曲可能ノズル１２は固定ノズル１１の後端側の部分（図１の下側の部分）に装着されて固定される。歪曲可能ノズル１２は円錐台形状であり、固定ノズル１１の後端部と歪曲可能ノズル１２の先端側の部分（図１の上側の部分）はほぼ同じ直径とされる。固定ノズル１１は、通常のノズルと同様に例えば繊維強化複合材などによって構成される。歪曲可能ノズル１２は、超弾性合金から構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超弾性合金を含み、前記超弾性合金の弾性変形範囲内で展開部を収納可能とする展開構造体。
【請求項２】
前記展開構造体がロケット用ノズルである、請求項１に記載の展開構造体。
【請求項３】
前記ロケット用ノズルは、先端側の第１の部分と後端側の第２の部分を含み、前記第１の部分は繊維強化複合材から構成され、前記展開部である前記第２の部分は前記超弾性合金から構成される、請求項２に記載の展開構造体。
【請求項４】
収納時に歪曲後の後端部に内接する仮想の円の直径が、歪曲前の前記先端側の円の直径よりも小さくなるように歪曲され、当該歪曲状態が歪曲形状固定部材により固定される、請求項２又は３に記載の展開構造体。
【請求項５】
前記歪曲形状固定部材が前記後端部に巻回される結節紐である、請求項４に記載の展開構造体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項記載の展開構造体を収納又は展開させる展開方法であって、
前記展開構造体を弾性変形範囲で歪曲させる工程と、
前記歪曲した状態の前記展開構造体を、歪曲状態固定部材により固定する工程と、
を備える展開方法。
【請求項７】
前記歪曲形状固定部材を取り外すことにより、前記歪曲した状態の前記展開構造体を元の形状に展開させる、請求項６に記載の展開方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、展開構造体及びその展開方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
展開構造体は、一般的に展開部分が拡張するように構成されている。しかし、展開部分が拡張すると、展開後の面積や容積が展開前よりも拡大し、展開後の収容性が低下する。【０００３】
例えば、ロケット用ノズルの場合、開口比が大きいほど航行能力が高くなることから、ノズル端部の開口比が大きいロケット用ノズルが好ましい。【０００４】
特許文献１には、ノズルに幾何学的で複雑な折り目を付けてノズル全体を折り畳む構成を採用したノズルが開示されている。これにより、開口比が大きく、収容時にコンパクトなノズル形状を実現することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，７０７，８９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、例えば上記特許文献１の折り畳み式のノズルでは、折り畳む際に多数の折り目がつくことになり、畳んだ状態からこれを展開した後にも折った部分に折り目痕が残ってしまう。【０００７】
ロケット用ノズルに少しでも折り目痕が残存していると、打ち上げや航行時のロケットエンジンからの火炎によって、局所加熱による溶融の原因になる場合がある。また、折り目痕が座屈強度低下の原因になる。【０００８】
本発明は、展開前や展開後の収容時にコンパクトな形状とすることができ、折り目痕が残存しない展開構造体を提供することを目的とする。また、その展開構造体を収容及び展開させる方法も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の（１）〜（７）の構成を備える。
（１）超弾性合金を含み、前記超弾性合金の弾性変形範囲内で展開部を収納可能とする展開構造体。
（２）前記展開構造体がロケット用ノズルである、（１）記載の展開構造体。
（３）前記ロケット用ノズルは、先端側の第１の部分と後端側の第２の部分を含み、前記第１の部分は繊維強化複合材あるいは耐熱合金から構成され、前記展開部である前記第２の部分は前記超弾性合金から構成される、（２）記載の展開構造体。
（４）収納時に歪曲後の後端部に外接する仮想の円の直径が、歪曲前の前記先端側の外接円の直径よりも小さくなるように歪曲され、当該歪曲状態が歪曲形状固定部材により固定される、（２）又は（３）に記載の展開構造体。
（５）前記歪曲形状固定部材が前記後端部に巻回される結節紐である、（４）記載の展開構造体。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかの展開構造体を収納又は展開させる展開方法であって、
前記展開構造体を弾性変形範囲で歪曲させる工程と、
前記歪曲した状態の前記展開構造体を、歪曲状態固定部材により固定する工程と、
を備える展開方法。
（７）前記歪曲形状固定部材を取り外すことにより、前記歪曲した状態の前記展開構造体を元の形状に展開させる、（６）記載の展開方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、展開前や展開後の収容時にコンパクトな形状とすることができ、折り目痕が残存しない展開構造体を提供することができる。また、その展開構造体を収容又は展開させる方法も提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルの概略を示した断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図であり、歪曲させる過程も示す図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図であり、歪曲させる過程も示す図である。
【図２Ｄ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図であり、歪曲させる過程も示す図である。
【図２Ｅ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図であり、歪曲させる過程も示す図である。
【図２Ｆ】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを示す図であり、歪曲させた状態も示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルを歪曲させるための治具の一例を示した斜視図である。
【図４】超弾性及び形状記憶における原子位置の変化を示す図である。
【図５】Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金を１０７３Ｋで１０．８ｋｓ焼鈍・水冷した際の応力-ひずみ曲線を示す図である。
【図６】ロケットノズルの１／４のモデルの形状及び寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に図面を参照して、本発明の実施の一形態であるロケット用ノズルについて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本実施形態に係るノズルを装着したロケットモータ１を示す概略断面図である。本実施形態に係るロケットモータ１のノズル１０は、固定ノズル１１の部分と歪曲可能ノズル１２の部分からなり、歪曲可能ノズル１２は固定ノズル１１の後端側の部分（図１の下側の部分）に装着されて固定される。歪曲可能ノズル１２は円錐台形状であり、固定ノズル１１の後端部と歪曲可能ノズル１２の先端側の部分（図１の上側の部分）の内径は同一とする。固定ノズル１１は、通常のノズルと同様に例えば繊維強化複合材あるいは耐熱合金などによって構成される。歪曲可能ノズル１２は、超弾性合金によって構成される。
【００１４】
ここで、歪曲可能ノズル１２（展開部）を構成する超弾性合金について説明する。通常の金属で歪曲可能のノズルを作製しようとした場合、その厚さを十分に薄くすることによって後述のように歪曲させることが考えられる。しかしながら、ただ単に薄いだけの金属では、例えばロケット用ノズルとして必要とされる強度や耐熱性などの特性を保つことは困難である。一方、通常の金属でノズルとして必要な強度を持たせるには十分な厚みにしなければならないが、そのように厚い金属では歪曲させることは難しく、また歪曲させることができたとしても塑性変形を起こし、自身の弾性力で元の状態に復元することは難しい。
【００１５】
超弾性合金は、弾性変形範囲内で変形させることによって、自身の弾性力で元の状態に復元することが可能である。超弾性合金を展開部分に含有することにより、展開前や展開後の収容時にコンパクトな形状とすることができ、折り目痕が残存しない展開構造体を実現可能となる。ここで、超弾性とは、熱弾性マルテンサイト変態を示す合金に応力を負荷することにより生じた変形が、除荷した後に加熱を伴わず形状回復する現象を示す。図４では、参考として最上段にすべり変形における原子位置の変化が示されており、中段に超弾性における原子位置の変化、最下段に形状記憶効果における原子位置の変化が示されている。超弾性は、温度が変態温度以下となると形状記憶効果に変化する。変態温度直上におかれた超弾性合金は無応力下では母相状態である。ここに応力を負荷すると、応力誘起マルテンサイト変態が起こり、応力を緩和する方向のマルテンサイトバリアントが優先的に生成・成長し、材料全体の形状が変化する。次に除荷を行うと、本来母相が安定な温度であれば、除荷のみによって逆変態が進行し、形状が回復する。このようにして、超弾性の性質が発現されるものである。
【００１６】
超弾性合金としては、特に制限なく用いることができるが、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ系合金、Ｎｉ−Ａｌ系合金などを用いることができる。Ｎｉ−Ｔｉ系合金としては例えば４９〜５２原子％ＮｉのＮｉ−Ｔｉ系合金などが例示される。Ｃｕ−Ｚｎ系合金としては、例えば３８．５〜４１．５重量％ＺｎのＣｕ−Ｚｎ合金などが例示される。Ｎｉ−Ａｌ系合金としては例えば３６〜３８原子％ＡｌのＮｉ−Ａｌ合金などが例示される。ただしこれらの材料は薄板材である必要がある。
【００１７】
超弾性合金としては、前項のＮｉ−Ｔｉ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ系合金、Ｎｉ−Ａｌ系合金などのほかに、near β-Ｔｉ合金に、１〜３時間程度にわたり約６００〜１０００℃で加熱した後、水に浸して常温まで急冷するなどの熱処理を施して超弾性特性を発現させた薄板材を用いてもよい。
より好ましくは、超弾性合金として、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金（ＪＦＥスチール製ＳＰ−７００）を焼鈍・水冷した合金を用いることができる。図５は、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金を１０７３Ｋで１０．８ｋｓ焼鈍・水冷した際の応力−ひずみ曲線を示す図である。図５の応力−ひずみ曲線では、室温にて３％のひずみを与えた後、残留したひずみが１％程度に留まり、弾性回復ひずみが２％程度の超弾性を示している。そのような超弾性を有する超弾性合金を使用して、本発明の展開構造体を構成することができる。なお、当然に、本発明の展開構造体は、それより特性の良好な超弾性合金を使用することもできる。
室温にて超弾性を得るには、前述の超弾性合金に対して、温度１０６３Ｋ〜１０８３Ｋで６００ｋｓ以上の焼鈍を施し、冷却は水冷（２９３K）により急速に行うことが好ましい。マルテンサイト変態温度はα相の体積率に依存し、焼鈍温度が１０６３Ｋよりも低い場合はα相の体積率増加のためにマルテンサイト変態温度が室温に対して低くなりすぎ、応力を加えた際に応力誘起マルテンサイト変態に先駆けてすべり変形が生じることで超弾性が得られなくなるからである。そのため、焼鈍温度は１０６３Ｋ以上であることが好ましい。一方で、焼鈍温度が１０８３Ｋよりも高い場合は、α相の体積率減少のためにマルテンサイト変態温度が室温に対して高くなり過ぎ、形状記憶効果を示すようになって超弾性が得られなくなる。そのため、焼鈍温度は１０８３Ｋ以下であることが好ましい。これらより、好適な焼鈍温度の範囲は、１０６３Ｋ〜１０８３Ｋとなった。
【００１８】
図２は、本発明の実施の一形態に係るロケット用ノズルの形状を示す図である。図２においては、ノズルの表面にメッシュを配置することにより、変形の状態を表現できるようにしている。図２Ａは、弾性変形前のロケット用ノズルを示す図である。
【００１９】
図２Ｂ〜図２Ｅは、ロケット用ノズル１２を示す図であって、歪曲させる過程を示す図である。図２Ｂでは、ロケット用ノズル１２の外面の一部（左端領域および右端領域）が外側から力を加えられることによって、一部分（左端領域および右端領域）が内側へ変形した状態を示している。なお、図２Ｂでは示していないが、紙面の逆側（裏側）もロケット用ノズル１２の外面の一部に外側から力を加えて、変形させなければならない。
【００２０】
図２Ｃでは、ロケット用ノズル１２の外面の一部（左端領域および右端領域）が外側から力を加えられることに加え、左端領域および右端領域の間の中央領域にも力が加えられることによって、図２Ｂよりも変形量が大きくなっている状態を示している。なお、図２Ｃでは示していないが、紙面の逆側（裏側）もロケット用ノズル１２の外面の一部に外側から力を加えて、変形させなければならない。
【００２１】
図２Ｄ、図２Ｅでは、図２Ｃよりもさらに変形量が大きく、左端領域、中央領域および右端領域の凹み割合が大きい変形状態となっている。
【００２２】
図２Ｆでは、図２Ｄ、図２Ｅよりもさらに変形量が大きく、左端領域、中央領域および右端領域の凹み割合が大きくなって、歪曲が完了した状態を示している。図２Ｆにおける上部側（ノズルの後端側）の複数の頂点に外接する仮想の円の直径は、図２Ｆにおける下部側（ノズルの先端側）の円の直径よりも小さくなっている。これにより展開構造体であるロケット用ノズルは、展開時に拡張したノズル後端側がコンパクトに収納される。
【００２３】
また、図２Ｆのノズル１２は、外側から加えられた力を解除することによって、図２Ａの状態のロケット用ノズルの形状に展開することができ、折り目痕が残存しない展開構造体となる。
【００２４】
本実施形態の展開構造体を収納又は展開させる展開方法は、
（ａ）展開構造体を弾性変形範囲で歪曲させる工程と、
（ｂ）歪曲した状態の展開構造体を、歪曲状態固定部材により固定する工程と、
を備える展開方法である。
【００２５】
また、歪曲形状固定部材を取り外すことにより、歪曲した状態の展開構造体を元の形状に展開させるができる。
【００２６】
以下、展開構造体を収納させる方法の一例を、図３を用いて示す。図３に示すように、円錐台形状のノズル１２（展開部）の先端部のみを基板に固定し、治具２０を使ってノズル１２を歪曲させる。ノズル１２はその先端側を下にして先端側を基板に固定し、後端側が上になるように配置されている。治具２０本体の形状は、その直径がノズル１２の後端部よりも大きい円筒形であってもよい。治具２０の周方向の角度的に互いに等間隔の６箇所には、軸と平行に柱状部があり、各柱状部には外側から棒状部材２１を挿入するための穴が２つずつ設けられている。６カ所の柱状部のそれぞれに穴を設けると最も容易にノズル１２を折り畳むことができるが、穴を設ける場所の数はそれには限られない。
【００２７】
次に、各柱状部の穴に外側から棒状部材２１を挿入する。そして、各箇所の棒状部材２１の先端部をノズル１２の後端部近傍に当接させ、さらにノズル１２の棒状部材２１の先端が当接されている各部が均等に歪曲するように、各箇所の棒状部材を少しずつ内側に押しこんでゆく。このような治具２０と棒状部材２１とを使うことによって、ノズルの軸に垂直な周方向に等間隔の各方向からノズル１２の外面を均等に内側へ押し込んで歪曲させることができる。  ノズルの折り畳み形状については、本実施形態では、６方向から押し込んだ星形形状とした。これは、折り畳みには周方向の座屈を利用しているが、本実施形態の寸法を考慮すると、周方向波数６〜８程度の形状が最も座屈荷重が小さく、折り畳みに要する荷重も小さくて済むことが一つの理由である。また座屈後収納を進めていくと、波数が少ない物では押し込まれていない部分を収納するためにより大きく押し込む必要があり、一方で波数が多い場合には押し込まれている部分の周方向曲率が小さくなり歪が大きくなるため、中間の適当な波数を選ぶ必要がある。さらに実作業を想定すると、力を釣り合わせるために全体を同時に均等に押して行く必要のある奇数波数よりは、対向する箇所を順次押して行けばよい偶数波数の方が好ましい。これらを総合して検討し、本モデルでは六芒星形状の折り畳みを採用した。しかし、折り畳んだ時の形状が十分に小さく、かつ展開後に歪が残留しない形状であれば、特に折り畳み形状を制限するものではない。
実際にロケットノズルのスケールモデルを作成して、折り畳み及び展開が問題なく行えることを確認した。図６は、ロケットノズルのモデルの形状及び寸法を示す図である。ロケットノズルモデルの作成にあたっては、実機への適用を想定し、その１／４スケールとして、下部φ（小径）１２０ｍｍ、上部φ（大径）１６８ｍｍ、高さ６６．５ｍｍの円錐台形状とした。図において、圧延方向をＲＤ(rolling direction)、圧延直角方向をＴＤ(transverse direction)の矢印で表わしている。また板厚に関しては、ノズル内圧による周方向応力及び軸方向座屈に耐える厚みを必要とする一方で、収納時の歪は板厚に比例して増加するため、可能な限り薄くする必要がある。ここで、弾性回復ひずみが大きければ、収納時の歪を大きくすることができる。前述の１０７３Ｋで１０．８ｋｓ焼鈍・水冷したＴｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金は、弾性回復ひずみが２％程度であるが、これを使用した場合を想定して、前述の折り畳み形状による収納時の歪とノズル内圧とを考慮した板厚を求めると、必要最低限の安全率を確保して、６０μｍとなった。なお、これは、実機においては０．２５ｍｍに相当する。
【００２８】
十分に歪曲されたら、治具２０の柱状部の隙間から結節紐をノズル１２の後端部近傍の周囲に１周又は必要に応じて数周巻回して両端を接続する。この結節紐は、本発明の歪曲形状固定部材の一例である。これにより、ノズル１２の歪曲された状態が固定される。なお、結節紐としは、プラスチック製のタイラップや金属製のワイヤなどを使用することができる。
【００２９】
また、ノズルを展開する場合には、例えば歪曲形状固定部材を取り外すことによって（結節紐の場合は切断するだけで）、ノズル１２自身の弾性力によって直ちに元の完全な円錐台の形状に展開することができる。前述のロケットノズルのスケールモデルの展開に要する時間は１秒未満であった。これより、実際の寸法のロケットノズルにおいても、１秒以内に展開することが理解される。これは、宇宙空間でノズルを展開し、噴射するまでの時間としては十分に高速である。
【００３０】
なお、本発明の展開構造体は、ロケット用ノズルに限定されるものではない。例えば、歪曲のさせ方を工夫して地上で小さく収容した上で宇宙に運搬し、そこで自身の弾性力に基づいて展開させる宇宙空間展開用のアンテナなどの展開構造体にも適用できる。
【００３１】
また、本発明の展開方法は、上述のように治具２０を用いて収納する方法に限定されるものではなく、例えば金型を用いて展開構造体を歪曲させてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１  ロケットモータ
１０  ノズル
１１  固定ノズル
１２  歪曲可能ノズル
２０  治具
２１  棒状部材
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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