(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、
前記外板の内、外両表面に形成されたＳｉＣコーティング膜と、同内側ＳｉＣコーティング膜の表面に形成され、Ａｌ2 Ｏ3 又はＹ2 ＳｉＯ5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたＰt コーティング膜とを有することを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【請求項２】
前記外板がＣ及びＳｉＣの材料からなる請求項１記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【請求項３】
機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、
前記外板の内表面に形成されたＡｌ2 Ｏ3 又はＹ2 ＳｉＯ5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたＰt コーティング膜とを有し、且つ、前記外板がＳｉＣ繊維及びＳｉＣマトリックスからなることを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【請求項４】
前記中間層コーティング膜の厚さは５０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【請求項５】
前記Ｐt コーティング膜の厚さは１〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から３記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は輻射断熱式熱防護構造体に関し、宇宙機等の外板内面に熱防護材として適用され、表面の熱が内部へ流入するのを効果的に防止するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、宇宙機等の開発が進み、宇宙機、等の大気との摩擦により外板に生ずる高熱が外板の内面へ伝達するのを防止する研究がなされているが、充分な対策が確立されていないのが現状である。図５は宇宙機や航空機の断熱対策を施した構造の一例を示す断面図であり、図において、３０は機体の外板で、カーボン繊維やカーボンマトリックス（Ｃ／Ｃ）、又はカーボンやＳｉＣ（Ｃ／ＳｉＣ）、等の耐熱材料から構成されている。３１は輻射断熱材で、綿や織布等の耐熱材料の積層物からなり熱の内部への侵入を防止している。３２は主構造フレームであり、機体の主構造部材となっている。３３は耐熱用のファスナであり、耐熱金属からなり、外板３０と輻射断熱材３１との間に所定の空間３４を保って外板３０を主構造フレーム３２へ固定している。このような断熱構造はスタンドオフＴＰＳ（輻射断熱式熱防護材）と呼ばれ、熱の外板内部への侵入を防止する対策として開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、宇宙機の外板構造としては輻射断熱を利用したスタンドオフＴＰＳの開発が進められており、この開発では外板内面の輻射率を低減することが重要となっている。
そこで本発明では外板の内面に低輻射率のコーティングを施すことにより、内部への熱流入を低減させ、スタンドオフＴＰＳが１４５０℃程度の高温状態におかれても安定して機能を発揮できる輻射断熱式熱防護構造体を実現することを課題としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するために、次の（１）〜（５）の手段を提供する。
【０００５】
（１）機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内、外両表面に形成されたＳｉＣコーティング膜と、同内側ＳｉＣコーティング膜の表面に形成され、Ａｌ2 Ｏ3 又はＹ2 ＳｉＯ5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたＰt コーティング膜とを有することを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【０００６】
（２）前記外板がＣ及びＳｉＣの材料からなる（１）記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【０００７】
（３）  機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内表面に形成されたＡｌ2 Ｏ3 又はＹ2 ＳｉＯ5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたＰt コーティング膜とを有し、且つ、前記外板がＳｉＣ繊維及びＳｉＣマトリックスからなることを特徴とする輻射断熱式熱防護構造体。
【０００８】
（４）前記中間層コーティング膜の厚さは５０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【０００９】
（５）前記Ｐt コーティング膜の厚さは１〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする（１）から（３）記載の輻射断熱式熱防護構造体。
【００１０】
本発明の（１）においては、外板の内，外表面のＳｉＣコーティング膜は、外板の耐酸化性を付与して外板の内，外両表面を保護し、内側のＳｉＣコーティング膜に施された中間層コーティング膜はＳｉＣコーティング膜とＰt コーティング膜との層間の反応を抑える作用を行う。又、Ｐt コーティング層は低輻射率を有するもので、外板から中間層を伝わってくる熱の空間部への放射を小さくして、機体内部への熱の流入を減少させるものである。このような輻射断熱式熱防護構造体により機体の外板に生ずる高温、例えば１４５０℃程度の高温度に対しても熱防護構造が効果的に機能するようになる。
【００１１】
又、本発明の（２），（３）のように外板の材料がＣ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／ＳｉＣ系のものであっても、Ｐt コーティングと材料との間には中間層が形成されているので、上記（１）の発明と同様の効果を奏するものであり、又、（４）の発明では、中間層コーティング膜が高温で加熱されても割れや、剥離が発生しにくい５０〜１００μｍの厚さに選定されるものであり、（５）の発明では、Ｐt コーティング膜の厚さが１〜１０μｍの範囲であれば、高温で加熱されても割れや剥離が発生しにくく、熱の内部への流入の減少がより効果的となるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、１はＣ／Ｃ基材であり、カーボン繊維やカーボンマトリックスからなり、図５に示す機体の外板３０に相当する基材である。２はＳｉＣコーティングで外板表面にコーティングされる耐熱コーティングである。３は同じくＳｉＣコーティングであり、Ｃ／Ｃ基材１の内側にコーティングされる。これらＳｉＣコーティング２，３は基材１に対して耐酸化性を付与するためのものである。
【００１３】
４は中間層コーティングで、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）又はイットリュームシリケート（Ｙ2 ＳｉＯ5 ）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法あるいは溶射によりコーティングを行って形成する。５は白金（Ｐt ）コーティングであり、Ｐt は常温では０．０５程度の低い輻射率を示し、１０００℃以上の高温でも０．２程度の低い輻射率を示す材料である。このＰt コーティング５はＰＶＤ（Phisical  Vapor Deposition）法により薄膜を形成している。Ｐt コーティング５の厚さは後述するように１〜１０μｍの範囲の厚さに形成するのが良好といえる。
【００１４】
上記構成の中間層コーティング４はＳｉＣコーティング３とＰt コーティング５との層間反応防止用のもので、比較的厚めのコーティングが可能な溶射法か、緻密なコーティングが可能なＣＶＤ法により形成する。溶射法によるコーティングでは、，１００μｍの厚さにすると１０００℃以上の高温下で剥離が発生せず、良好な被膜が形成され、又、ＣＶＤ方法によれば、数μ〜数１０μｍの緻密な成膜が可能である。いずれの方法にしても、中間層コーティング４の膜厚は５０〜１００μｍの範囲のものが１０００℃程度の高温下において剥離が発生せず最適の範囲といえる。
【００１５】
上記に説明の実施の第１形態の構成において、機体の外板３０に相当するＣ／Ｃ基材１の内側にＳｉＣコーティング３を施し、その表面に中間層コーティング４を形成し、その表面に低輻射率のＰt コーティング５を施して輻射断熱式熱防護構造体を構成したので、基材１の表面が１４５０℃程度の高熱４０にさらされたとしても、ＳｉＣコーティング３とＰt コーティング５との間の層間の反応を防止すると共に、低輻射率のＰt コーティング５により熱の内部への流入を減少させることができる。
【００１６】
図２は本発明の実施の第２形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、本実施の第２形態において図１に示す実施の第１形態と異なる部分は、機体の外板に相当する基材が、Ｃ／Ｃ基材１からＣ／ＳｉＣ基材１１に代わったものであり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じである。
【００１７】
基材が、このような基材１１となっても、実施の第１形態と同様に、基材１１にはＳｉＣコーティング３が介在しており、中間層コーティング４がＳｉＣとＰt の層間の反応を防止すると共に、同様に、内部への熱の流入を低輻射率のＰt コーティング５により減少させることができる。
【００１８】
図３は本発明の実施の第３形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の構成図である。図において、本実施の第３形態において図１に示す実施の第１形態と異なる部分は、機体の外板に相当する基材が、Ｃ／Ｃ基材１からＳｉＣ／ＳｉＣ基材２１に代わったものである。この実施の第３形態においては、基材１１の外側、内側の両面に施されるＳｉＣコーティング２，３が不要となる。ＳｉＣ／ＳｉＣ基材２１では材料自体がＳｉＣ繊維とＳｉＣ系マトリックスから構成されているので、基材の両面はいずれもＳｉＣ系の材料であり、ＳｉＣコーティング２，３は不要となる。その代わりの構成は図１に示す実施の第１形態と同じである。
【００１９】
基材が、このような基材２１となっても実施の第１形態と同様に中間層コーティング４によりＰt コーティング５と基材２１との間の反応を防止すると共に、低輻射率のＰt コーティング５により熱の内部への流入を減少させることができる。
【００２０】
図４は、本実施の第１〜第３形態において用いたＰt コーティング５の表面粗さと室温での輻射率との関係の測定結果を示す図で、表面粗さが４μｍ以上では、輻射率が増加し、３０〜５０μｍでは０．２程度まで増加している。この傾向は基材の種類によらず同様の傾向を示している。表面粗さの増加により輻射率が増加する理由は、表面の増加に伴い輻射面積が増加すると考えられ、実用材料で輻射率を設定する場合には、外板内側の輻射率の要求値に合わせてＰt コーティングの表面粗さを調整する必要がある。ＳｉＣコーティング３を施した表面であれば、１〜１０μｍ程度の表面粗さが適切と考えられる。
【００２１】
以上説明の実施の第１〜第３形態によれば、機体外板の基材の内側にＳｉＣコーティング３を介して中間層コーティング４を施し、その表面にＰt コーティング５を施したので、中間層コーティング４によりＳｉＣとＰt との層間の反応を防止すると共に、低輻射率のＰt コーティング５により熱の内部への流入を減少させ、スタンドオフＴＰＳ構造体の外板表面が１４５０℃の高温度にさらされたとしても、高温の熱の内部への流入を減少させ、安定した低輻射率コーティングが実現できるものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の輻射断熱式熱防護構造体は、（１）機体の周囲を輻射断熱層で囲み、その周囲に所定の空間を保ってカーボン系の材料からなる外板を配設した輻射断熱式熱防護構造体であって、前記外板の内、外両表面に形成されたＳｉＣコーティング膜と、同内側ＳｉＣコーティング膜の表面に形成され、Ａｌ2 Ｏ3 又はＹ2 ＳｉＯ5 、あるいはその両方からなる中間層コーティング膜と、同中間層コーティング膜表面に形成されたＰt コーティング膜とを有することを特徴としている。このような構成により、外板の内，外表面のＳｉＣコーティング膜は、外板の耐酸化性を付与して外板の内，外両表面を保護し、内側のＳｉＣコーティング膜に施された中間層コーティング膜はＳｉＣコーティング膜とＰt コーティング膜との層間の反応を抑える作用を行う。又、Ｐt コーティング層は低輻射率を有するもので、外板から中間層を伝わってくる熱の空間部への放射を小さくして、機体内部への熱の流入を減少させるものである。このような輻射断熱式熱防護構造体により機体の外板に生ずる高温、例えば１４５０℃程度の高温度に対しても熱防護構造が効果的に機能するようになる。
【００２３】
又、本発明の（２），（３）のように外板の材料がＣ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／ＳｉＣ系のものであっても、Ｐt コーティングと材料との間には中間層が形成されているので、上記（１）の発明と同様の効果を奏するものであり、又、（４）の発明では、中間層コーティング膜が高温で加熱されても割れや、剥離が発生しにくい５０〜１００μｍの厚さに選定されるものであり、（５）の発明では、Ｐt コーティング膜の厚さが１〜１０μｍの範囲であれば、高温で加熱されても割れや剥離が発生しにくく、熱の内部への流入の減少がより効果的となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の第１形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図２】  本発明の実施の第２形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図３】  本発明の実施の第３形態に係る輻射断熱式熱防護構造体の断面図である。
【図４】  本発明の実施の第１〜第３形態に係る輻射断熱式熱防護構造体に適用されるＰt コーティングの表面粗さと輻射率との関係を示す図である。
【図５】  スタンドオフＴＰＳの一般的な模式図である。
【符号の説明】
１，１１，２１    Ｃ／Ｃ基材
２，３            ＳｉＣ系コーティング
４                中間層コーティング
５                Ｐt コーティング
３０              外板
３４              空間
【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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