(57)【要約】  剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料を含む少なくとも１の剛性パネルを含むレドーム又はフィードーム。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料を含有する少なくとも１の剛性パネルを含むレドーム又はフィードーム。
【請求項２】
前記少なくとも１の剛性パネルが、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する第一の複合材料表皮を含む、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項３】
前記少なくとも１の剛性パネルが、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する第二の対向する複合材料表皮と、前記第一及び第二の複合材料表皮の間のコアとを含む、請求項２に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項４】
前記コアが低密度材料である、請求項３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項５】
前記剛性樹脂マトリクス材料がエポキシである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項６】
前記剛性樹脂マトリクス材料がポリエステルである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項７】
前記剛性樹脂マトリクス材料がポリブタジエンである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項８】
前記剛性樹脂マトリクス材料がシアネートエステルである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項９】
前記剛性樹脂マトリクス材料がビニルエステルである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１０】
前記剛性樹脂マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、及びビニルエステルのうちの少なくとも２種のブレンドである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１１】
前記ポリエステル−ポリアリレートファイバーが１００デニール〜５０００デニールである、請求項１に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１２】
剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料表皮（複数）とそれらの間のコアとを含む少なくとも１の剛性パネルを含むレドーム又はフィードーム。
【請求項１３】
剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第一の表皮；
剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第二の表皮；並びに、
前記第一及び第二の表皮の間に配置されたコア、
を含む、低減された無線周波数損失を有する剛性レドーム又はフィードーム。
【請求項１４】
前記コアが低密度材料である、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１５】
前記剛性樹脂マトリクス材料がエポキシである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１６】
前記剛性樹脂マトリクス材料がポリエステルである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１７】
前記剛性樹脂マトリクス材料がポリブタジエンである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１８】
前記剛性樹脂マトリクス材料がシアネートエステルである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項１９】
前記剛性樹脂マトリクス材料がビニルエステルである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項２０】
前記剛性樹脂マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、及びビニルエステルのうちの少なくとも２種のブレンドである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項２１】
前記ポリエステル−ポリアリレートファイバーが１００デニール〜５０００デニールである、請求項１３に記載のレドーム又はフィードーム。
【請求項２２】
剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料を含む少なくとも１の剛性パネルを形成することを含む、レドーム又はフィードームの製造方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１の剛性パネルが、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料表皮を含む、請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第一の表皮を形成すること；
剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第二の表皮を形成すること；
前記第一及び第二の表皮の間にコアを配置すること；並びに
前記コアに前記表皮を接合すること、
を含む、レドーム又はフィードームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ポリエステル−ポリアリレートファイバー（polyester-polyarylate fiber）を用いたレドーム及びその製造方法という標題の米国特許出願（米国特許出願第１０／６２０，８８４号であり、これを本明細書に援用する。）に関連して、２００３年７月１６日に出願した米国特許出願第１０／６２１，１５５号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、構造強度を与えるとともに、無線周波数伝送損失を低減した、ポリエステル−ポリアリレートファイバーを用いた高強度剛性レドーム(radome)又はフィードーム(feedome)に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーダー又は通信アンテナ用の剛性レドームは、熱変形、日光、雨、及びその他の因子からの保護の役目を果たしている。
最も普通の剛性レドームは、複合材料システムを用いて生産されている。剛性レドーム及びフィードーム用に用いられる通常の材料は、剛性マトリクス材料、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリブタジエン樹脂、又はその他の適切な剛性樹脂マトリクス材料中にガラス又は石英強化繊維を用いた材料である。構造上の適切な完全性をもたらす一方で、現存のレドーム及びフィードームは、送信及び受信モードの両方において、無線周波数伝送損失（radio frequency transmission loss:RF）を示す。結果として、レーダー又は通信サブシステムに必要な伝送パワーを高くしなければならず、しばしば、非常に大きな出費である。
【０００４】
構造上の完全性と低ＲＦ伝送損失を考えると、機械的及び電気的な複合材料特性をバランスさせること、ならびにレドームの構造的要求を満たす一方で、無線周波数伝送損失を満足させるために利用可能な材料の組み合わせから選択することが必要となる。
【特許文献１】米国特許出願第１０／６２０，８８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、低減された無線周波数（ＲＦ）伝送損失をもつ高強度剛性レドーム又はフィードームを提供することであり、すなわち、それは、増大されたＲＦ受信感度をもたらし、かつＲＦ送信出力の低減を可能にする。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、構造上の要求を満たす一方、レーダーの電気的能力に対する要求を満足する上記高強度剛性レドームを提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、所要電力と、レドームによって保護されるシステムのコストとを低減する高強度剛性ドームを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、低ＲＦ損失且つ高い構造上及び機械的完全性をもつ高強度剛性レドームが、ガラスもしくは石英ファーバー又はその他の現在公知もしくは使用されている材料の代わりに剛性マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバー(polyester-polyarylate fiber)を利用することによって達成されることを実現したことに基づいている。
【０００９】
本発明は、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートを有する複合材料を含む少なくとも１の剛性パネルを含むレドーム又はフィードームを特徴とする。この剛性パネルは、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する第一の複合材料の表皮（スキン）を含むことができる。この剛性パネルは、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する第二の対向する複合材料の表皮を含むことができる。第一及び第二の複合材料表皮の間にはコアがあることができる。このコアは低密度材料であってよい。剛性樹脂マトリクス材料は、エポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、ビニルエステル、又はエポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、もしくはビニルエステルの少なくとも２種のブレンド、であることができる。ポリエステル−ポリアリレートファイバーは、１００デニール〜５０００デニールであることができる。
【００１０】
本発明はさらに、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料表皮及びそれらの間のコアを有する少なくとも１の剛性パネルを含むレドーム又はフィードームを特徴とする。
【００１１】
本発明はさらに、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第一の表皮、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第二の表皮、並びに第一の表皮及び第二の表皮の間に配置されたコアを含む、低減された無線周波数損失を有する剛性レドーム又はフィードームを特徴とする。コアは低密度材料であることができ、剛性樹脂マトリクス材料はエポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、ビニルエステル、又はエポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、シアネートエステル、及びビニルエステルの少なくとも２種のブレンドであることができる。ポリエステル−ポリアリレートファイバーは１００デニール〜５０００デニールであることができる。
【００１２】
本発明はまた、剛性樹脂マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料を含む少なくとも１の剛性パネルを形成することを含む、レドーム又はフィードームの製造方法を特徴とする。この少なくとも１の剛性パネルは、剛性樹脂マトリクス材料中のポリエステル−ポリアリレートファイバーを有する複合材料表皮を含むことができる。
【００１３】
本発明はさらに、剛性樹脂マトリクス中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む第一及び第二の表皮を形成すること、第一及び第二の表皮の間にコアを配置すること、並びにコアに表皮を接合することによる、レドーム又はフィードームの製造方法を特徴とする。
【００１４】
その他の目的、特徴、及び長所が、好ましい態様の以下の説明及び付属する図面から、当業者にもたらされるだろう。
【００１５】
〔好ましい態様の開示〕
以下に開示する好ましい態様もしくは態様に加えて、本発明はその他の態様及び様々な方法で実施もしくは実行されうる。したがって、本発明は、以下の記載で説明し、又は図面で示した建造の詳細及び構成物の配置にその適用を制限されないことが理解される。
【００１６】
上記背景部分において開示したように、剛性レドームは、レーダー及び通信装置に環境からの保護を提供するために一般に使用されている。典型的な剛性レドームは、地上レドーム１０（Fig.1）；海軍レドーム１２（Fig.2）；及び航空機ブリスターレドーム１４（Fig.3）を含む。フィードーム１６（Fig.4）は、典型的には、レーダーもしくは通信システムアンテナのフィード部分のみの保護を提供する。
【００１７】
複合材料レドーム設計における技術状況は、自然及び誘起される環境条件に耐えるために、複合材料技術、すなわち剛性マトリクス材料中にガラスもしくは石英ファイバーを入れたものに頼っている。ケブラー（登録商標）は時々使用される別の材料である。典型的な剛性レドームは、薄い、通常は厚さ約０．０１５インチ〜０．２５インチの範囲の２つの複合材料表皮もしくは膜２０及び２２と、それらの間にある、通常は厚さ約０．２５インチ〜数インチの範囲の低密度材料コア２４とをもつサンドイッチ構造（Fig.5）を有するパネルで構成される。表皮（スキン）とコアの厚さは、典型的には、ＲＦへの要求に応じて変わる。サンドイッチ構造に加えて、レドーム及びフィードームはまた、コアをもたない複合材料の単層表皮から建造されることも知られている。厚さはまた、非常に薄いもの、例えば０．０１０インチ〜数インチまで変わりうる。
【００１８】
従来の剛性レドームにおいては、表皮もしくは複数の表皮２０、２２は、複合材料系、通常は、マトリクス材料２６（Fig.5）、例えば、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリブタジエン、シンナメートエステル、またはその他の適切な剛性樹脂マトリクス材料を用いて製造される。マトリクス材料は、そこで強化ファイバー３０を接着し、包み込み、浸透し、結びつけ、ファイバーを一緒に固定して剛性表皮（スキン）２０を形成する。このように作られた従来の剛性レドームの一つの欠点は、その結果生じるＲＦ伝達損失と受信感度の低下である。これらの損失・低下を補うためには、レドームによって保護されるシステムの出力を増加させなければならず、追加のコストを生じさせるかさもなければ、システム能力が犠牲にならなければならない。
【００１９】
最小限のＲＦ損失にするためには、レドーム膜材料が低い誘電率と低い損失正接（ロスタンジェント）をもち、さらに適切な厚さであることが有利である。本発明の剛性レドームは、低減されたＲＦ伝達損失と組み合わされて、機械強度と剛性を与えるポリエステル−ポリアリレートファイバーを用いることによって、従来の材料で作られた従来の剛性レドームの欠点を改善し、それは、ポリエステル−ポリアリレートファイバーが、石英やガラスよりも低い誘電率を有するからである。
【００２０】
本発明によれば、レドームパネル６０の強化ファイバー７０（Fig.6）は、石英又はガラスファーバーに代わりポリエステル−ポリアリレートファイバーである。ポリエステル−ポリアリレートファイバー材料の１つの供給者はCelanese Acetate LLC社であり、ここは「Vectran」（ベクトラン）ファイバーを販売している。Vectran（登録商標）は、Celanese LLC社の登録商標である。Vectran（登録商標）は通常、１５００デニールのファイバーとして生産されており、これは容易に織物に織るか又は編むことができる。２００〜３７５０デニールのその他のデニールもまた購入できる。
【００２１】
下記表１は、０．０１５インチ厚さの表皮と１．５インチの低密度フォームコアを有する、同様に構築された剛性レドームパネルについての、見本の剛性サンドイッチレドームのＲＦ損失の比較を示す。表１は以下のもののＲＦ性能を比較している：シアネートエステルマトリクス中の石英ファイバー；ポリブタジエンマトリクス中の石英ファイバー；シアネートエステルマトリクス中のポリエステル−ポリアリレートファイバー；及びポリブタジエンマトリクス中のポリエステル−ポリアリレートファイバー。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示されるように、ポリエステル−ポリアリレートファイバーを含む本発明の剛性レドームは、シアネートエステルマトリクス中にある場合の石英ファイバーよりも４１％改善されたＲＦ性能を示し、ポリブタジエンマトリクス中にある場合の石英よりも３３％改善されたＲＦ性能を示した。加えて、本発明のポリエステル−ポリアリレートファイバーは、低吸水率（<0.1%）の特性をもち、これは吸水によるＦＲ性能特性の低下を防ぐ。比較として、航空機用途のための剛性ファイバー・レドームに用いられるKevler（登録商標）は、３．７％の吸水率（７２°Ｆ、６５％相対湿度）を示し、水分による増加したＲＦ損失、並びにKevler（登録商標）の膨張によるマトリクス剥離を示した。Kevler（登録商標）はDuPont社の登録商標である。
【００２４】
全般に、より高周波数、且つ、より広いマルチバンドの放送に向かう傾向は、優れたＲＦ送信性能をもたらすため、ポリエステル−ポリアリレートを複合レドームにおける非常に適した強化ファイバーにしている。
【００２５】
強度を要素とする限り、ポリエステル−ポリアリレートファイバーの強度は石英もしくはガラスよりもわずかに低いので、ポリエステル−ポリアリレートファイバーで構築したレドームは「１：１」ベースでは石英で製造したものと構造的に等価ではない。ポリエステル−ポリアリレートファイバーの機械特性は、構造上の選択可能物として排除されるほど低くはない。検討中のレドームのデザインが強度によって進められている場合は、低い引張強度を埋め合わせるためにより多くのポリエステル−ポリアリレートファイバーが必要とされうる。座屈（バックリング）に敏感なレドームに対しては、（石英又はガラスに対し）ポリエステル−ポリアリレートファイバーを用いたＲＦ性能強化は可能性があり、なぜなら、ポリエステル−ポリアリレートファイバーの引張係数は石英よりわずかに低いだけであるのに、誘電率は充分低いからである。すなわち、低い誘電率の利益が、わずかな厚さの増加を上回っている。
【００２６】
以下の表２は、ガラスファイバー、石英ファイバーと、ポリエステル−ポリアリレートファイバーとを比較したファイバー特性を示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
表３は、石英ファイバーレドーム基準構造と比較した様々なレドーム構造の比較を示す。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
胴板座屈が問題である場合などの剛性優先のレドームデザインについては、ＲＦ損失を考慮した場合、ポリエステル−ポリアリレートファイバー強化が同様に有利である。ポリエステル−ポリアリレートの剛性は石英又はガラスに匹敵するが、低い誘電率がＲＦ損失を低下させる。剛性については、表３に示した結果で、表皮のモジュラス×剛性レドームパネル慣性の製品比較を考慮した（低密度フォームコアの剪断剛性への寄与は無視した）。石英ファイバーをポリエステル−ポリアリレートで「１：１」で置換することは、その低モジュラス（表３、２行目）のために１８％の剛性低下又は基準構造の８２％となるが、ＲＦ損失は０．３６ｄＢから０．２１ｄＢに低下し、損失は４１％低くなる。理論的には、モジュラス×慣性は基準値に等しいので、０．００２５インチ（合計の厚さ増加＝０．００５インチ）の各表皮厚さの増加は、剛性低下を補償する（表３、３行目）。この場合、ＲＦ損失は０．３６ｄＢから０．２６ｄＢに低下し、ＲＦ損失の２７％減少であるが、同等の剛性である。同等の電気的性能が必要とされる場合は、０．０２６インチ表皮をもつレドームを使用することができ、剛性は７５％よりも大きく改善される（表３、４行目）。
【００３１】
まとめると、シアネートエステル中の石英ファイバーと比較した場合、同等の剛性を有するポリエステル−ポリアリレート・レドーム設計は、ＲＦ損失を２７％低下させる（表３、３行目）。同等の電気的特性では（表３、４行目）、ポリエステル−ポリアリレートファイバー・レドーム設計は、剛性及び復元力で７８％の増加をもたらす。例ではサンドイッチ型レドーム建築を扱ったが、単一表皮のレドームが類似した利点を導き出すことができる。良好な機械特性と結合したポリエステル−ポリアリレートの低い誘電率は、レドーム設計に対して、以前知られていない選択肢を提供する。
【００３２】
本発明による１つのレドームは、剛性樹脂マトリクス材料２６’中にポリエステル−ポリアリレートファイバー７０を含む複合材料から作られた剛性パネル６０（Fig.6）を含む。各パネルは、典型的には、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、ポリブタジエン、もしくはシアネートエステル、またはこれらの任意のブレンド物もしくは組み合わせ中に、あるいはその他の適当なマトリクス２６’中に配置されたポリエステル−ポリアリレートファイバー７０を有する複合材料表皮２０’及び２２’と、それらの間の低密度コア２４’とを含む。
【００３３】
本発明のレドームまたはフィードームは、エポキシ、ポリエステル、ポリブタジエン、もしくはシアネートエステルで作られた剛性マトリクス材料２６’中にポリエステル−ポリアリレートファイバー７０を有する複合材料から作られた単一パネルとして、または多数の剛性パネル６０（Fig.6）を形成することによって生産されうる。各パネルは、典型的には、剛性樹脂マトリクス２６’中にポリエステル−ポリアリレートファイバー７０を有する複合材料表皮２０’及び２２’と、それらの間の低密度コア２４’とを含む。本発明のレドーム又はフィードームはまた、低密度コア２４’を使用することなく、剛性マトリクス材料２６’中にポリエステル−ポリアリレートファイバー７０を含む単一パネルとして、または剛性パネル６０（Fig.6）を形成することによって生産されうる。ポリエステル−ポリアリレートファイバー７０は、一般に、１００デニール〜５０００デニールであり、任意の方向もしくはパターン、編まれたもの又は単一方向性であることができる。紡織ファイバーと異なって、単一方向性ファイバーは相互に絡み合っておらず、交互のファイバー方向で配列されることができ、当分野で公知である。また、当分野で公知のように、編まれたファイバーもまた相互に絡み合っておらず、単一方向性ファイバーのように交互の方向でのみ配置されているというよりは、結合点でかがられている。ファイバーは組み合わされて糸を形成されることができること、及びファイバー又はファイバーの方向などについて述べたことは、ファイバーを含む糸についても同様にあてはまることが、当業者によって理解されよう。剛性樹脂マトリクス材料１２ｂ’に対するポリエステル−ポリアリレートの割合は広範囲に変化でき、具体的用途のニーズに対して調整されうる。
【００３４】
したがって、本発明は、低減された無線周波数（ＲＦ）伝達損失と、増加されたＲＦ受信感度を有する、高強度剛性レドーム又はフィードームをもたらす。本レドームによって保護されるアンテナ又は通信システムに対する出力要求及びコストは、ガラスもしくは石英ファイバー又はその他の現在公知もしくは使用されている材料に代えて、剛性マトリクス材料中にポリエステル−ポリアリレートファイバーを用いることによって低減される。
【００３５】
本発明の特定の特徴がいくつかの図面中に示され、その他では示されていないが、これは便宜のためだけにすぎず、なぜなら、各特徴は本発明による他の特徴のいずれか又は全てと組み合わされうるからである。ここで使用するとおり、「含む」、「含有する」、「有する」、及び「もつ」の語は、広く且つ包括的に解釈されるべきであり、いずれかの物理的相互連結に限定されない。その上に、本明細書中に開示した全ての態様は、唯一可能な態様として捉えられるべきではない。
【００３６】
当業者が想到できるその他の態様は、本発明の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１(Fig.1)は、典型的な地上の剛性ドームの概略図である。
【図２】図２(Fig.2)は、剛性海軍レドームの概略図である。
【図３】図３(Fig.3)は、航空機ブリスターレドームの概略図である。
【図４】図４(Fig.4)は、フィードームの概略図である。
【図５】図５(Fig.5)は、従来技術の剛性レドームサンドイッチ建造物の断面の概略断面図である。
【図６】図６(Fig.6)は、本発明によるレドームのパネルの概略の断面部分図である。
【符号の説明】
【００３８】
10  地上レドーム
12  海軍レドーム
12b  剛性樹脂マトリックス材料
14  航空機ブリスターレドーム
16  フィードーム
20、22、20’、22’  複合材料表皮または膜
24、24’  コア
26、26’  マトリックス材料
30、70  補強繊維
60  レドームパネル、剛性パネル
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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