(57)【要約】      （修正有）【課題】固体燃料ロケットノズルでは、構造材が局所的なエロージョンにより深く浸食を生じるので、この解決方法を提供する。【解決手段】１．構造材は、運転温度で熱分解性ガスを生じないように黒鉛（カルビン）化処理を施した炭素−炭素繊維の複合材料（Ｃ／Ｃ）等を用いる。２．耐エロージョン皮膜は、ガラス状炭素、ＣＶＤ炭素等を表面に接着あるいは蒸着して設ける。３．耐エロージョン皮膜を設ける皮膜厚さについて、信頼性に関する失敗確率が１／１０６に対して求め、一例として、燃焼条件が、圧力約１００Ｂａｒ、温度約３０００℃、燃焼時間約１００Ｓに対して、ノズルスロートの最大厚さが、ガラス状炭素皮膜ではＢ≧５．６６ｍｍ、ＣＶＤ炭素皮膜では、Ｂ≧３．８３ｍｍとする。４．常温で超音波（約２０ＫＨｚ）加振エロージョン試験、あるいは液噴流衝突エロージョン試験を行ない、エロージョンの温度特性を引張強度データの温度特性からの推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケット等における燃焼室およびノズルについて、
▲１▼  流れによるエロージョンが生じる場所には、構造材表面に耐エロージョン皮膜を設ける。
▲２▼  構造材は、運転温度（約３０００℃）で熱分解性ガスを生じないように黒鉛（カルビン）化処理を施した炭素−炭素繊維の複合材料（Ｃ／Ｃ）等を用いる。
▲３▼  耐エロージョン皮膜は、ガラス状炭素、ＣＶＤ炭素およびそれらに準じた高強度の材料を表面に接着あるいは蒸着して設ける。
ことを特徴とする。
【請求項２】
請求項１に関する耐エロージョン皮膜を設ける領域と皮膜厚さについて、
▲１▼  壁面上の境界層流れに生じる変動荷重の周波数が超音波領域（約２０ＫＨｚ以上）となる領域をエロージョン発生対象領域とし、
▲２▼  エロージョンによる平均的な減肉量（Ｂｍ）は、その変動荷重と繰返し数に比例し、引張強度に反比例すし、
▲３▼  耐エロージョン皮膜の必要な膜厚さ（Ｂ）は、信頼性に関する失敗確率が１／１０６に対して、Ｂ≧２＋２．４４Ｂｍ、により求め、
▲４▼  一例として、燃焼条件が、圧力約１００Ｂａｒ、温度約３０００℃、燃焼時間約１００Ｓに対して、ノズルスロートの最大厚さが、ガラス状炭素皮膜ではＢ≧５．６６ｍｍ、ＣＶＤ炭素皮膜では、Ｂ≧３．８３ｍｍとなる。
ことを特徴とする。
【請求項３】
高温用材料のエロージョン試験について、
▲１▼  常温で超音波（約２０ＫＨｚ）加振エロージョン試験、あるいは液噴流衝突エロージョン試験を行なう。
▲２▼  そして、エロージョンの温度特性は、引張強度データの温度特性からの推定する。
ことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はロケットノズル壁やスペースシャトル外壁等の超高速・高温の気流をうける構造材の表面に生じるエロージョンに関する。
【背景技術】
【０００２】  固体燃料ロケットノズル（１）では、高温、高圧の燃焼ガスが高速で流れるため、耐熱材料を用いて構造強度を維持し、かつ熱遮蔽を行なっている。構造材は、高温（約３０００℃）、高圧（約１００ｂａｒ）に耐える必要があるため、炭素繊維の複合材料が用いられ、例えば、炭素−炭素繊維複合材料（Ｃ／Ｃ複合材料）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ、ＳＦＲＰ）等が用いられる。これらの複合材料は、炭素繊維束が結合材により積層する組織であり、平均強度は炭素繊維により強化され高圧に耐えることができるが、層間の結合材のせん断強度は平均引張強度の約２０％と低く、かつバラツキが大きい。
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【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  固体燃料ロケットノズルでは、ノズル内の燃焼ガスが約１０００（ｍ／ｓ）になりエロージョン発生域に入り、構造材が局所的なエロージョンにより深く浸食される場合が生じるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  エロージョンは、壁面が超音波領域（約２０ＫＨｚ以上）の変動荷重を受けるとき、表面の細片が次々とハクリする疲労破壊の一形態であり、部材の最も弱い部分から浸食状に破壊が進行する。
炭素繊維強化形の複合材料は、結合材のせん断強度が低くかつバラツキが大きいため、その最も弱い部分から破壊が進行し深く浸食される場合が生じると推定される。
この課題を解決するための手段として、エロージョンを生じる場所では、耐エロージョン性の良い耐熱材料で構造材の表面を被覆する必要がある。耐エロージョン性が良いとは、最低強度が大きいことであり、そのためには、高強度、不透過性、高硬度を有する均質材が必要である。このような材料として、ガラス状炭素（１）、ＣＶＤ炭素（２）（パイログラファイト）等があげられる。しかし、これらはその高硬度のために難加工性の傾向があるため、大型薄肉材を得ることが難しい場合には、表面に接着あるいは蒸着し、耐エロージョン材料の皮膜を設ける。
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【０００５】  耐エロージョン皮膜が必要となる領域と膜厚さは、設計条件を解析して求められる。例えば、固体燃料ロケットノズルでは、燃焼流の乱流境界層において変動荷重（バースト現象等）が生じ、その周波数が超音波領域（約２０ＫＨｚ以上）に入る領域がエロージョン発生対象領域となる。
エロージョンによる減肉量は、変動荷重の大きさと繰り返し数にほぼ比例し、材料強度にほぼ反比例する。
変動荷重の繰り返し数は統計上の十分大きな数になるため、大数の法則より、変動荷重は平均値で一定と見なせる。しかしエロージョンは、微細な結晶粒単位で疲労ハクリが進行し、材料強度の最も弱い部分から浸食的に破壊されるため、局所的な材料強度の分布が影響する。
エロージョン減肉量の確立分布に関する平均量（Ｂｍ）と標準偏差（Ｂｓ）の関係はエロージョン試験データから得られ、
Ｂｓ＝Ｃ＊Ｂｍ      （−１）
ここに、Ｃは、均質材の耐エロージョン性の良い材料では強度のバラツキが小さいからＣ１≒０．３、複合材料では強度のバラツキが大きいから３ＤＣ／ＣではＣ２≒１、ＣＦＲＰとＳＦＲＰでは樹脂が熱分解性ガスを発生し残される炭化層の強度のバラツキが大きいからＣ３≒２、と推定される。
耐エロージョン皮膜の必要な膜厚さ（Ｂ）は、構造材への接着用基礎厚さ（Ｂ０）に、エロージョンの平均的な減肉量（Ｂｍ）と標準偏差（Ｂｓ）の３倍の厚さを加えて、発生確率では９９．８６５％に対応し、
Ｂ≧Ｂ０＋Ｂｍ＋ｎ＊Ｂｓ＝２＋（１＋３Ｃ）＊Ｂｍ      （−２）
ここに、Ｂ０＝２ｍｍ、ｎ＝３
となる。
【０００６】  また、設計を行なうために材料の耐エロージョン性データが必要である。耐エロージョン性は引張強度にほぼ比例するから、耐エロージョン性の温度特性は、引張強度データを常温から実機温度まで揃えておくことにより、常温の耐エロージョン性データからの推定することが可能である。そこで、エロージョン試験は、常温、大気圧のもとに、供試体の炭素に対して腐食性の少ない液体（潤滑油等）を用いて超音波（約２０ＫＨｚ）加振エロージョン試験、あるいは液噴流衝突エロージョン試験を行ない、エロージョン発生時間、およびその後の重量減少率のデータを取得し、耐エロージョン性を評価する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】  本発明の実施の一形態について、図１に固体燃料ロケット（ＱＭ２）ノズルの概念図を示し説明する。
ロケット本体１に、ノズル２が設けてあり、その内面に耐エロージョン材料の皮膜３を設ける。主な寸法は、ロケット本体１の外径２５００ｍｍ、ノズルスロート径３９０ｍｍ、ノズル出口径１６４０ｍｍ、ノズル長さ２５００ｍｍ等である。主な燃焼条件は、圧力約１００Ｂａｒ、温度約３０００℃、推力約２３０トン、燃焼時間約１００Ｓ等である。
ノズル材料は、従来、皮膜が無く、スロートから２００ｍｍまでは炭素−炭素繊維の複合材料（３ＤＣ／Ｃ）が用いられ、２００ｍｍから１１００ｍｍまでは炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられ、１１００ｍｍより下流は別の炭素繊維強化プラスチック（ＳＦＲＰ）が用いられる。
ＱＭ２試験に関する減肉量の分布を図２に示す。ＱＭ２試験データを実線で示すように、減肉量の最大値は約３５ｍｍを示している。これは、ノズルの周方向分布における局所の最大減肉量（Ｂ１）であり、発生確率では標準偏差の２倍にたいする約９７．７％と仮定し、式（−２）を適用すれば、Ｂ０＝０、ｎ＝２、材料は複合材料（ＣＦＲＰ）であるからＣ３≒２を用いて、
Ｂ１＝Ｂｍ＋２Ｂｓ＝（１＋２Ｃ３）Ｂｍ＝５Ｂｍ      （−３）
となり、Ｂ１＝３５ｍｍより平均減肉量はＢｍ＝７ｍｍと推定される。
解析結果は、同図中に長鎖線で示すように、エロージョン発生領域はノズルスロートから約１．７ｍ下流までとなり、エロージョン減肉量はこのほぼ全域にわたり、試験データとほぼ良い一致を示す。ただし、解析条件では、材料の引張強度をハンドブック（１）に示される値より約５％に低下させて、３ＤＣ／Ｃが０．５０Ｋｇ／ｍｍ２、ＣＦＲＰが０．１５Ｋｇ／ｍｍ２、ＳＦＲＰが０．０５Ｋｇ／ｍｍ２、としている。
これらより、炭素繊維の複合材料は、層間の結合材の強度が低く、かつバラツキが大きいことを示している。式（−３）より局所値は、平均値の５倍程度であり、平均の層間強度は材料の引張強度の２５％（＝５＊５％）程度となりハンドブック等に示される値に矛盾しない。
しかし、エロージョン減肉量３５ｍｍに対して、現状の必要な皮膜厚さは、式（−２）により５１ｍｍ（＝２＋３５／５＊７）となり、これは強度設計上の肉厚と同程度であるから腐食代として加算される肉厚としては大き過ぎる。
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【０００７】  そこで、本発明により、エロージョン発生領域の構造材表面を耐エロージョン皮膜で被覆する方法示す。
構造材は、運転温度（約３０００℃）で熱分解性ガスを生じないように黒鉛（カルビン）化処理を施した炭素−炭素繊維の複合材料（Ｃ／Ｃ）等を用いる。
耐エロージョン皮膜は、ガラス状炭素皮膜、ＣＶＤ炭素皮膜を検討する。ガラス状炭素皮膜は、引張強度が約５Ｋｇ／ｍｍ２より、エロージョンによる減肉量はノズルスロートの最大値が約１．５ｍｍとなり、式（−２）による必要な皮膜厚さは５．８５ｍｍ（＝２＋１．９＊１．５、Ｃ＝０．３）と、現状の約１／９に減少する。
ＣＶＤ炭素皮膜は、引張強度が約１０Ｋｇ／ｍｍ２より、エロージョンによる減肉量はノズルスロートの最大値が約０．７５ｍｍとなり、式（−２）による必要な皮膜厚さは３．４３ｍｍ（＝２＋１．９＊０．７５、Ｃ＝０．３）と、現状の約１／１５に減少する。
【発明の効果】
【０００８】  本発明により、エロージョンによる減肉量が大幅に減少し、信頼性向上、およびノズル性能向上の効果が得られる。
信頼性向上の一例として、上記の皮膜厚さは標準偏差の３倍に対応し失敗確率（＝１−発生確率）１．３５／１０００であるが、信頼性向上として失敗確率を１／１０６に低下させるには、標準偏差の４．８倍の厚さが必要となり、式（−２）にｎ＝４．８、Ｃ＝０．３を代入し
Ｂ≧２＋（１＋４．８Ｃ）＊Ｂｍ＝２＋２．４４Ｂｍ      （−４）
となり、ガラス状炭素皮膜では、Ｂｍ＝１．５ｍｍを代入してＢ≧５．６６ｍｍとなり、ＣＶＤ炭素皮膜では、Ｂｍ＝０．７５ｍｍを代入してＢ≧３．８３ｍｍとなる。これらの皮膜厚さは、従来の減肉量データの最大値（約３５ｍｍ）より大幅に減少し、また構造材厚さの約１／１０程度であり、製造上大幅に改善されている。
【０００９】  ノズル性能に関して、ノズルスロート径はエロージョンの平均減肉量により拡大するため、燃焼室の圧力が低下し推力が減少する。従来、ノズルスロートは３ＤＣ／Ｃが適用されエロージョンの平均減肉量は約５ｍｍ（＝１５／３）で燃焼室の圧力は約９５％に低下するが、ガラス状炭素皮膜では約１．５ｍｍで燃焼室の圧力は約９８％の低下、ＣＶＤ炭素皮膜では約０．７５ｍｍで燃焼室の圧力は約９９％の低下にそれぞれ改善される。
【００１０】  また、エロージョン試験は小規模で、かつ常温・大気圧下で容易に行なえるから試験費用が比較的安価となる。また、実機相当条件での縮尺モデル試験および最終的な実規模の地上燃焼試験は、常温エロージョン試験データおよび解析等から推定できるから、確認試験となり試験回数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明実施の一形態である固体燃料ロケットノズルの概念図を示す。
【図２】ＱＭ２試験における減肉量の分布を示す。
【符号の説明】
１：ロケット本体、
２：ノズル、
３：耐エロージョン皮膜、
【図１】
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【図２】
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