(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料スパー（１０）の形成方法であって、前記複合材料スパー（１０）は、前方円錐状部および後方円錐状部（４５，４７）により連結された上方側壁部および下方側壁部（４０，４２）を備えているものにおいて、前記方法は、
前記スパー（１０）の翼弦方向に沿った幅寸法（Ｄｍ）および鉄製材料を有する膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）を提供するステップと、
スパー成形装置を提供するステップと、を有し、前記スパー成形装置は、
前記膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）を支持するのに適した構成を有し、かつマンドレルアッセンブリ（１１０）の幅寸法（Ｄｍ）よりも小さい幅寸法（Ｄｐｗ）を有する第１ペデスタル支持部および第２ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）を備えており、前記ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）は、第１の向きから第２の向きまで移動可能となっており、さらに、前記スパー成形装置は、
各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）に連結されている少なくとも１つの電気駆動式コイル（２３２）と、
前記マンドレルアッセンブリ（１１０）と一方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）との間に磁気クランプ力を発生させるために、前記電気駆動式コイル（２３２）に選択的に電力を印加するための制御可能な電源（２３４）と、を備えており、さらに、前記方法は、
マンドレルアッセンブリ（１１０）の表面にクロスプライ積層および単方向積層（６０，７０）を組み立てることによって、プリフォームアッセンブリ（１２０）を形成するステップを有し、前記プリフォームアッセンブリ（１２０）において、前記単方向積層（７０）が前記クロスプライ積層（６０）の間に挿入されており、かつ構造的接合部（６８）および滑り面（６６）が、前記複合材料スパー（１０）の前方円錐状部および後方円錐状部（４５，４７）に対応する部分に配置されており、該組立てステップは、
ａ．第１の向きにある状態で、一方の前記ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）の前記電気駆動式コイル（２３２）に電力を印加することによって、前記マンドレルアッセンブリ（１１０）の位置を維持するステップと、
ｂ．前記マンドレルアッセンブリ（１１０）の側面に亘って前記クロスプライ積層および前記単方向積層（６０，７０）を積層するステップと、
ｃ．前記クロスプライ積層（６０）が、前記マンドレルアッセンブリの周りの、前記複合材料スパー（１０）の円錐状部（４５，４７）に対応する部分に巻かれた状態となるように、前記クロスプライ積層および前記単方向積層（６０，７０）を形成するステップと、
ｄ．各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）が、前記マンドレルアッセンブリ（１１０）と連結した状態となるように、前記ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）を第２の向きまで移動させるステップと、
ｅ．一方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）に関連する電気駆動式コイル（２３２）の電力を切断し、他方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）に関連する電気駆動式コイル（２３２）に電力を印加することによって、一方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）から他方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）へと前記マンドレルアッセンブリ（１１０）を移送するステップと、
ｆ．全てのクロスプライ積層および単方向積層が積層されて、プリフォームアッセンブリ（１２０）が形成されるまで、ａ〜ｅまでのステップを繰り返すステップと、を有し、さらに、前記方法は、
前記複合材料スパー（１０）の外側モールド線外形を画定しているモールド面を有する硬化モールド内に、前記プリフォームアッセンブリ（１２０）を配置するステップと、
前記膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）を加圧して、前記クロスプライ積層および単方向積層（６０，７０）を前記硬化モールドの前記モールド面に押し付けることによって、前記積層（６０，７０）を圧縮するステップと、
前記クロスプライ積層および前記単方向積層（６０，７０）を硬化するステップと、を有し、
構造的接合部（６８）および滑り面（６６）を円錐状部（４５，４７）に形成することによって、前記クロスプライ積層および前記単方向積層（６０，７０）を均一に圧縮することが容易となっていることを特徴とする複合材料スパー（１０）の形成方法。
【請求項２】
複合材料スパー（１０）の形成中に、膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）の操作および正確な位置決めを行うことが可能なスパー成形装置（２００）であって、前記膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）は、前記スパー（１０）の翼弦方向に沿った幅寸法（Ｄｍ）を有するとともに、内部に鉄製材料を有し、
前記スパー成形装置（２００）は、
前記膨張式マンドレルアッセンブリ（１１０）を支持するのに適した構成を有するとともに、前記マンドレルアッセンブリ（１１０）の幅寸法（Ｄｍ）よりも小さい幅寸法（Ｄｐｗ）を有する第１ペデスタル支持部および第２ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）を備えており、前記第１ペデスタル支持部および前記第２ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）は、前記マンドレルアッセンブリ（１１０）の表面への複合材料積層（６０，７０）の積層を容易とする前記第１の向きから、一方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）から他方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）への前記マンドレルアッセンブリの移送を容易とする第２の向きまで移動することが可能となっており、さらに、前記装置は、
各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）に連結されている少なくとも１つの電気駆動式コイル（２３２）と、
前記電気駆動式コイル（２３２）に選択的に電力を印加することによって、前記マンドレルアッセンブリ（１１０）と一方の前記ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）との間に磁気クランプ力を発生させ、これによって、複合材料積層を積層する間に前記マンドレルアッセンブリ（１１０）を位置決めするとともに、一方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）から他方のペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）へと前記マンドレルアッセンブリを移送することを可能とする制御可能な電源（２３４）と、を備えていることを特徴とするスパー成形装置（２００）。
【請求項３】
各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）は、旋回可能なリンク機構（２０５）と連結しており、前記リンク機構によって、ペデスタル支持部の前記第１の向きから前記第２の向きまでの移動が容易となっていることを特徴とする請求項２記載のスパー成形装置。
【請求項４】
前記第２の向きで前記マンドレルアッセンブリ（１１０）と密接させるために、前記ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）を直線的に移動させる手段を備えていることを特徴とする請求項３記載のスパー成形装置。
【請求項５】
各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）に連結されているとともに、各ペデスタル支持部（２０４ａ，２０４ｂ）とともに移動することが可能な成形／デバルクアッセンブリ（２０８ａ，２０８ｂ）を備えていることを特徴とする請求項２記載のスパー成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
本発明は、１９９４年８月３１日に出願された、「回転翼航空機のための繊維強化複合材料スパーおよびその製造方法」という名称の米国特許出願第０８／４１６，７４０号を一部継続するものである。
【０００２】
【技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂マトリックス複合材料に関し、特に、構造特性が強化された回転翼航空機のための繊維強化複合材料スパー、その形成を容易化する方法および複合材料スパーを形成するのに有用なスパー成形装置に関する。
【０００３】
【背景技術】
ロータブレードのスパーは、主に、フラップ方向およびエッジ方向への荷重、ねじれ力および遠心荷重を結合させて中心部のトルク駆動ハブ部材へ移送し、あるいはこれから移送されるよう機能するため、ヘリコプタのロータブレードアッセンブリの主要な構成部材である。一般的に、前縁外装および後縁ポケットアッセンブリが、スパーに取り付けられているとともに、スパーを包囲しており、これによって、所望のエアロフォイル外形が得られるようになっている。スパーは、通常、ロータブレードの全長に亘って延びているとともに、その内側端部で、ハブ部材への取付を容易とするカフアッセンブリつまり取付部材に取り付けられている。ロータブレードの過度な運転負荷状態のため、従来技術では、アルミニウムやチタンといった高強度、高密度材料が、スパー構成のために選択されてきた。
【０００４】
しかし、最近では、繊維強化樹脂マトリックス複合材料（例えばグラファイトおよび繊維ガラス）が、その強度−重量比率、耐腐食性、改善された損傷許容度が優れていることから、利用されている。後者については、複合材料の構造用繊維は、重複した複数の負荷経路とみなすことができ、１本あるいは複数の繊維に生じた損傷は、隣接した繊維の負荷容量によって緩和される。
【０００５】
開発された複合材料は、重量が小さく、かつ強度が優れているにも拘わらず、製造方法のコストが高いことによって、広く使用されることが困難であった。所望の構造特性および低コストの製造プロセスを組み合わせること、つまり、労働集約的なプロセスステップを減少させるとともに積層の質を維持すること、が複合材料の設計者により現在要求されている。
【０００６】
設計者により考慮されるべき構造上の主な項目には、繊維強化材料つまり必要な機械的特性を有する材料の選択、樹脂結合材、繊維マトリックス配向、繊維の連続性、プライの減少もしくは接合部形状による応力集中の緩和、熱による歪み、が含まれる。複合材料の利点を最大にするためには、特定用途のための強度および剛性への要求事項に適合するように、繊維配向を適切に調整することが必要である。すなわち、複合材料は、準等方性（全方向への強度が等しい）ではなく、異方性（特定方向に負荷を移送することが可能）を有するように、調整することが可能であるため、繊維配向を負荷の方向に合わせることによって、好適な重量効率を有する構造が得られる。同様に、使用可能なマトリックス強化材料（例えば、グラファイト、繊維ガラス、アラミド繊維）のうち異なるものを使用することによって、設計者は、振動状態および静止状態での曲げ強さ、剛性および靭性といったパラメータを制御することができる。材料選択および／または繊維配向の最適化に加えて、繊維の連続性もしくは非連続性、非連続性プライを接合する方法、が部材の強度に大きく影響する。通常、特定部分での応力集中および／または応力増大が起こらないように、繊維の連続性を維持するとともに、接合部をずらして配置することが望ましい。その他の考慮すべき項目は、微視亀裂の原因となり得る熱応力に関するものである。微視亀裂とは、隣接した複合材料の熱的な非適合性のために、熱応力に起因して小さな亀裂が結合材料中で増大する現象である。通常は、このような現象を抑制するために、積層全体で同じ材料を使用するか、もしくは、熱膨張係数が同じ材料を使用することが望ましい。
【０００７】
これらの考慮すべき項目は、特定の製造技術のコストおよび複雑性と、比較検討される。一般的には、製造方法は、切断作業および材料のスクラップを減少させ、作業を容易化し、実行可能な限り自動化し、作業者／積層者による失敗の可能性を最小とし、再現可能なものであり、繊維の量を均一に維持し、（均一な圧縮により）積層の質を均一にし、質量が均衡された積層つまり複合材料部材の重量が適切に分散された積層を得ることが可能なものでなければならない。
【０００８】
複合材料スパーを形成するための一般的な方法として、複合材料のフィラメントワインディングおよびプリプレグ材積層が挙げられる。フィラメントワインディング工程では、結合材料のマトリックス内に配置された高張力フィラメントを、完成部材の所望の形状に対応した形状のマンドレルアッセンブリの周りに巻き付ける。マンドレルアッセンブリは、通常、巻き付けられたマトリックスを支持するための剛性構造と、該剛性構造を覆うように配置された不浸透性のブラッダつまりバッグと、を備えている。ロータブレードスパーといった細長い部材を形成する場合は、フィラメントはマンドレル全体に巻かれ、マンドレルおよびフィラメントが、マンドレルの長手方向軸線つまりワインディング軸線に沿って、相対的に移動することによって、糸状材料の複数の層が形成される。フィラメントワインディング工程が完了した後で、マンドレル／巻かれた積層は、適合する金属製モールド内に配置され、硬化される。硬化工程中、ブラッダが加圧されることによって、適合する金属製モールドのモールド面に、繊維が押し付けられる。
【０００９】
フィラメントワインディングの利点として、繊維の連続性（すなわち、この工程では、切断したり、プライを一部重複させたりする必要がない）、取り扱いの容易性および再現性が挙げられる。しかし、フィラメントワインディングの主な欠点として、適合する金属製モールドのモールド面に向かって、繊維を膨張させる／押し付けることが困難であることが挙げられる。繊維は、最初に、張力を有する状態でマンドレルの周りに巻かれるため、バッグを加圧している間に、繊維を伸長および／または移動させて、積層を適切に圧縮することが困難である。繊維を完全かつ均一に圧縮することができない場合、複合材料部材の特定部分の樹脂含有量が多くなったり、あるいは少なくなり、結果として、積層の質が悪くなる。複合材料部材が楕円形状を有する場合は、円錐状部、すなわちロータブレードの前縁および後縁に対応する部分は、繊維量の望ましくないばらつきが最も生じやすくなる。フィラメントワインディングの他の欠点としては、繊維配向を、マンドレルアッセンブリの長手方向軸線つまりワインディング軸線に対して０°程度とすることが困難であることが挙げられる。この点に関して、フィラメントワインディング装置が不十分である限り、通常は、単方向の繊維、つまり０°の繊維を挿入するために、ワインディング工程が周期的に中断される。
【００１０】
リーブリ等の米国特許第４，６２１，９８０号には、フィラメントワインディング工程により形成された改善された構造を有するロータブレード用スパーが開示されている。リーブリは、多層のフィラメントが巻かれた複合材料スパーについて開示しており、該複合材料スパーは、繊維配向が長手方向軸線に対して約±３５°以下であるグラファイト繊維層と、繊維配向が約±１５°であるポリアラミド繊維と、を備えている。このような配向によって、結合した軸方向強度およびねじり強度が許容可能なものとなり、かつフィラメントワインディング工程を利用することが可能となっている。すなわち、フィラメントワインディングでは、繊維を長手方向軸線に対して約０°に積層することは出来ないため、配向角度を小さくすることによって、所望の軸方向強度を得るようになっている。従って、このプロセスによる積層は、フィラメントワインディングもしくは他の自動化製造プロセスの使用を可能とするために、所望の繊維配向、すなわち約０°の繊維配向を得ることが妥協されたものである。
【００１１】
プリプレグ積層技術には、予め含浸された複合材料構造の個々のプライもしくは積層が利用され、これらは、手作業により積み重ねられ、膨張式マンドレルアッセンブリ上に配置される。マンドレルアッセンブリは、適合する金属製モールド内に配置され、加熱および加圧を行うためのオートクレーブオーブン内で硬化される。楕円形状の部材が鋳造される場合、通常、積層において一部重複している複合材料プライ間の境界が「滑り面」となる。このような重複部分によって、複合材料部材の硬化中に、複合材料積層が、（境界面に亘る滑りによって）膨張することが可能となる。予め含浸された複合材料を使用することの利点として、圧縮の容易性、積層の質の均一性、設備投資が小さいこと、および特定部分の材料の配向および配置を選択することが可能なこと、が挙げられる。欠点として、労働集約的な手作業による積層プロセスのため労働コストが高いこと、作業者が誤りを犯す可能性が比較的高いこと（例えば、作業者が、不注意により、多層プライ積層中のプライを省いてしまう等）、および積層中の繊維の不連続性が挙げられる。
【００１２】
サルカインド等の米国特許第３，７８２，８５６号には、複数の高強度繊維を適した結合マトリックス中に有する一対のビームを有する複合材料スパーが開示されている。この繊維は、非軸方向の配向を有する繊維および単方向の配向を有する繊維を備えており、これらの繊維が結合されることにより、ねじり強度および軸方向強度が増大されている。長手方向軸線に対して±４５°の配向を有する高弾性率のグラファイト繊維が利用されていることによって、ねじり強度が増大されている。０°の配向を有する（つまり長手方向軸線に沿った）低弾性率の繊維が利用されていることによって、軸方向の強度が増大されている。サルカインドは、これらの積層を分散して配置し、かつ／または非軸方向繊維の集合と単方向繊維の集合とを結合させているため、積層強度に悪影響を及ぼす微視亀裂が生じる可能性がある。さらに、このように材料の交互層（一層のグラファイト、一層の繊維ガラス等）を分散して配置させることは、非常に労働集約的であり、作業者の誤りが生じ易い。
【００１３】
英国特許出願第２，０４０，７９０号には、幅が一定であるスパーを形成する方法が開示されており、この方法には、予め切断されていた複合材料構造を膨張式マンドレルアッセンブリに巻きつけ、一部重複した接合部を複合材料スパーの上方側壁部および下方側壁部（すなわち、ロータブレードのエアロフォイル面の上方面および下方面に対応する部分）に形成する。一部重複した接合部によって滑り面が得られ、これによって、硬化処理中の複合材料の圧縮が容易となる。上方側壁部および下方側壁部に重複した接合部を形成することの欠点は、マンドレルが膨張される際に、複合材料構造がトラップされたり挟まれたりすることである。膨張式マンドレルにより複合材料がトラップされた場合、滑り面の所望の機能が得られず、この結果、積層の圧縮が十分に行われなくなる。さらに、上方側壁部および下方側壁部には、フラップ方向の大きな曲げ応力が加わるため、この結果、接合部の境界により生じる応力が重複する（すなわち応力集中が生じる）こととなる。従って、このような配置は望ましくない。
【００１４】
カモヴの米国特許第３，９６７，９９６号、英国特許出願ＧＢ２０４０７９０Ａ号およびＧＢ２１４８８２１号には、複合材料スパーを形成するためのプリプレグ積層プロセスの他の例が開示されている。
【００１５】
従って、所望の構造特性に、低コストの製造を容易とする形成プロセスを適切に適用することができるような、複合材料スパーを得ることが必要である。さらに詳しくは、微視亀裂の影響を抑制し、熱による歪みを抑制し、重量を減少させ、さらに、損傷許容度を向上させるような、構造効率のよい複合材料スパーを形成することが必要である。さらに、複合材料を均一に圧縮し、材料の取り扱いを容易化し、組立て時の手作業を減少させ、さらに、質量分布特性が改善された複合材料スパーを形成することが可能な製造プロセスを確立することが必要である。
【００１６】
【発明の開示】
本発明の目的の１つは、ねじり強度および軸方向強度を向上させ、これに伴い重量を低減させるために、最適な繊維配向を有する複合材料スパーを形成することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、微視亀裂の悪影響を抑制した複合材料のロータブレードスパーを形成することである。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、熱歪み特性が改善された複合材料スパーを形成することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、損傷許容度が向上された複合材料のロータブレードスパーを形成することである。
【００２０】
本発明の更に他の目的は、積層を均一に圧縮することが可能であるとともに、質が改善された積層を得ることが可能なプリプレグ製造プロセスを利用することである。
【００２１】
本発明の更に他の目的は、要求される繊維の切断量を減少させることによって、部材あたりの製造コストを削減することである。
【００２２】
本発明の更に他の目的は、簡易化された製造プロセスにより製造された複合材料スパーを提供することであり、該製造プロセスでは、一定幅のプリプレグ材料を用いることによって該材料の自動化積層および手作業による積層を容易としている。
【００２３】
本発明の更に他の目的は、長手方向軸線に沿った質量分布を改善することができる製造プロセスを利用して、改善された複合材料スパーを形成することである。
【００２４】
本発明の更に他の目的は、製造コストを削減するとともに部材毎の再現性を改善するために、自動化することを容易としたプロセスにより製造された改善された複合材料スパーを形成することである。
【００２５】
本発明によると、複合材料スパーは、部分および小部分に分割されており、これらの部分および小部分では、繊維強化樹脂マトリックス複合材料積層が選択的に配置されているとともに、該積層の材料特性が選択的に決定されている。複合材料スパーは、上方側壁部および下方側壁部にクロスプライ積層を備えており、端部が前方円錐状部および下方円錐状部までそれぞれ延びていることによって、これらの部分に構造的接合部が形成されるようになっている。クロスプライ積層は、高弾性率の複合材料繊維を結合マトリックス中に備えており、このクロスプライの繊維配向は、長手方向軸線に対して約±３８°〜約±４２°の範囲内である。さらに、少なくとも１つの単方向積層が、スパーの上方側壁部および下方側壁部におけるクロスプライ積層の間に、それぞれ挿入されている。各単方向積層は、高弾性率の複合材料繊維および低弾性率の複合材料繊維が結合されたものを結合マトリックス中に備えており、該単方向繊維の配向は、長手方向軸線とほぼ平行となっている。構造的接合部は、フラップ方向軸線に対して曲げ応力が小さい部分に配置され、単方向積層は、フラップ方向軸線に対して曲げ応力が大きい部分に配置されるようになっており、これによって、曲げ強さが増大されている。クロスプライ積層によって、フラップ方向曲げ軸線および長手方向軸線に対する結合されたねじり強度および軸方向強度が得られ、その繊維配向によって、隣接した単方向積層との熱的整合性が得られるようになっている。単方向積層の低弾性率の複合材料繊維によって、さらに、損傷許容度が向上する。
【００２６】
さらに、複合材料スパーの製造方法が開示されており、該方法では、相補型モールドハーフを有する複数のモールドが形成され、該モールドハーフのモールド面は、上方側壁部および下方側壁部、前方円錐状部および下方円錐状部を画定するものとされる。これらのモールド面の寸法は、最内部モールドから最外部モールドまで、段階的に大きくなっており、最外部モールドによって複合材料スパーの外側モールド線の外形が画定されるようになっている。続いて、クロスプライ積層が上方側壁部および下方側壁部に積層され、かつ端部が前方円錐状部および下方円錐状部まで延びた状態となるように、クロスプライ積層および単方向積層が、モールドに積層される。さらに、これらの端部は、１つの相補型モールドハーフにおける１つのモールド面よりも延びることによって、前方円錐状部および下方円錐状部に、構造的接合部および滑り面を形成することが容易となっている。単方向積層が、相補型モールドの上方側壁部および下方側壁部に積層される。続いて、これらの積層が膨張式マンドレルアッセンブリ上に組み立てられ、これによって、クロスプライ積層の間に単方向積層が挿入されたプリフォームアッセンブリが形成される。この組み立てステップには、モールドの相補型モールドハーフ内に膨張式マンドレルアッセンブリを順に配置し、クロスプライ積層の端部を接合することによって、構造的接合部および滑り面を前方円錐状部および下方円錐状部に形成する。続いて、最外部モールドがプリフォームアッセンブリを覆って閉じられ、膨張式内部マンドレルが加圧されることによって、積層が、最外部モールドのモールド面に押し付けられるとともに、圧縮される。続いて、最外部モールドがオートクレーブオーブン内部に配置され、熱および圧力が加えられた状態で積層が硬化される。この方法により、構造的接合部および滑り面が円錐状部に形成されることによって、プライ積層を均一に圧縮することが容易となっている。
【００２７】
さらに、他の形成方法が開示されており、この方法では、膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するのに利用されている。これによって、積層プロセスを容易とするために、複数の予備的なモールドを利用する必要がなくなる。さらに、マンドレルアッセンブリを、スパー成形装置と組み合わせて使用することによって、自動制御により複合材料積層をマンドレルアッセンブリの円錐状部に亘って積層することと、突合わせ接合部をこの部分に形成することと、が容易となっている。
【００２８】
スパー成形装置は、複合材料スパーの製造中に、膨張式マンドレルアッセンブリの操作および正確な位置決めを行うことが可能なものである。本発明のこの実施例では、膨張式マンドレルアッセンブリは、鉄製材料を備えていることによって、電磁回路内の一つの磁極として作用することが可能となっている。さらに詳しくは、スパー成形装置は、第１ペデスタル支持部および第２ペデスタル支持部を備えており、各支持部は、マンドレルアッセンブリを支持するために適切に構成されており、かつその幅寸法がマンドレルアッセンブリの幅寸法よりも小さくなっている。ペデスタル支持部は、マンドレルアッセンブリ上への複合材料積層の積層を容易とする第１の位置／向きから、一方のペデスタル支持部から他方のペデスタル支持部までのマンドレルアッセンブリの移動を容易とする第２の位置／向きまで、移動することが可能となっている。さらに、スパー成形装置は電磁コイルシステムを備えており、該システムは、少なくとも１つの電気駆動式コイルと、制御可能な電源と、を備えている。電気駆動式コイルは、各ペデスタル支持部に接続されており、さらに、制御可能な電源から電気駆動式コイルへと選択的に電力が供給されることによって、マンドレルアッセンブリと一方のペデスタル支持部との間に磁気クランプ力が発生するようになっている。このような電磁コイルシステムによって、複合材料積層が積層される間、膨張式マンドレルアッセンブリが正確に位置決めされるとともに、一方のペデスタル支持部から他方のペデスタル支持部まで、マンドレルアッセンブリが移送されるようになっている。
【００２９】
本発明の上述した目的およびその他の目的、特徴および利点は、実施例についての以下の詳細な説明および付随の図面によって、より明らかとなるだろう。
【００３０】
【発明を実施するための最良の形態】
ここで図を参照するが、同じ参照数字は、いくつかの図に亘って対応する部材つまり同じ部材を示している。図１は、ヘリコプタのロータブレードアッセンブリ６のルート端部２および先端部４をそれぞれ示す部分斜視図である。該ロータブレードアッセンブリ６は、前縁外装アッセンブリ１３と後縁ポケットアッセンブリとの間に楕円形状の複合材料スパー１０を備えている。複合材料スパー１０は、長手方向軸線２５に沿って、ルート端部２から先端部４まで延びており、ロータブレードの全荷重を中心部のトルク駆動ハブ部材（図示せず）まで／から伝達する。さらに、ロータ軸の軸線２８が示されており、この軸線２８を中心にロータブレードアッセンブリ６が駆動される。説明のために、複合材料スパー１０は、部分および小部分に分割されており、これらの部分では、この構造に用いられる複合材料が選択的に配置されているとともに、材料特性が選択的に決められており、これによって、上述した目的を達成するようになっている。図２は、図１の線２−２に沿った断面図であり、内側部分つまりルート端部を示している。この図には、複合材料スパー１０が、ロータブレードアッセンブリ６の上方エアロフォイル面および下方エアロフォイル面にそれぞれ対応する上方側壁部４０および下方側壁部４２と、ロータブレードの前縁および後縁にそれぞれ対応する前方円錐状部４５および後方円錐状部４７と、を備えていることが示されている。さらに、円錐状部４５，４７によって、遷移部５０および終結部５２がそれぞれ画定されており、これらの部分の厚さ、材料組成などの複合材料特性は、側壁部４０，４２のものとは異なっている。前方円錐状部４５および後方円錐状部４７によって、上方側壁部４０と下方側壁部４２とが連結されており、これによって、垂直方向のせん断力に対抗するための箱形構造が構成されている。さらに、ロータブレードアッセンブリ６のフラップ方向中立軸５４およびエッジ方向曲げ中立軸５５が、それぞれ、示されている。フラップ方向曲げ中立軸５４は、複合材料スパー１０に沿って翼弦方向に延びており、エッジ方向曲げ中立軸５５は、垂直方向に延びている。フラップ方向曲げ中立軸５４とエッジ方向曲げ中立軸５５とは、ロータブレードアッセンブリ６の重心５７で交差している。フラップ方向曲げ中立軸５４およびエッジ方向曲げ中立軸５５は、それぞれ、（例えば、逆方向への圧縮応力および引張応力によって）曲げ応力の向きが反転し、結果的に中立する点つまりゼロとなる点の軌跡を表している。軸５４，５５は、曲げ応力がゼロである線を示しているが、これらの軸から外れた点は、非常に大きな圧縮応力もしくは引張応力を受けることとなる。
【００３１】
以下の詳細な説明から明らかとなるように、向き、配置および材料選択は、構造的効率および重量効率を得るとともに、製造を容易化するのに重要である。本発明の好適な実施例では、複合材料スパー１０は、複数の個々のクロスプライ、単方向プライおよび強化構造プライからなり、これらのプライは、上述した部分に選択的に配置されている。クロスプライは、連結されてクロスプライ積層６０を構成しており、単方向プライは、連結されて単方向積層７０を構成している。クロスプライ積層６０は、上方側壁部４０および下方側壁部４２に配置されており、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７まで延びている。単方向積層７０は、上方側壁部４０、下方側壁部４２、前方円錐状部および後方円錐状部４７における遷移部５０、に配置されている。
【００３２】
図３は、複合材料スパー１０の構成に用いられている複合材料プライの上半分を示す拡大図であり、プライの寸法、繊維配向および配置をより明確に示している。下半分は、プライの構造が上半分とほぼ同じであるため、省略されている。上半分の複合物プライに関連する参照数字は、下半分と同じだが、本発明がより完全に理解されるように、上半分のプライおよび下半分のプライが、下付きの“ａ”および“ｂ”によってそれぞれ示される場合もある。
【００３３】
樹脂が含浸された複数の繊維強化クロスプライは、連結されることによって個々のクロスプライ対６２となっている。すなわち、長手方向軸線２５に対して＋θの繊維配向を有する１つのクロスプライは、−θの繊維配向を有する他のクロスプライに連結されている。このように、クロスプライを連結させる、つまり対にすることによって材料の取り扱いが容易となっており、すなわち、繊維を分離したりほぐしたりする必要がなくなっている。通常、このような材料は、連結された材料が一体となった板として販売業者から購入されることから、理解し易いように、以下では、クロスプライ対を“クロスプライ”と称する。クロスプライ６２は、グラファイト繊維といった高弾性率繊維が結合マトリックス中に含まれたものからなる。このような繊維は、通常、引張り強度が約３．４５×１０9Ｎ／ｍ2（５００，０００ｐｓｉ）〜約４．８３×１０9Ｎ／ｍ2（７００，０００ｐｓｉ）であり、弾性率が約２．０６７６×１０11Ｎ／ｍ2（３０×１０6ｐｓｉ）〜約３．４４６×１０11Ｎ／ｍ2（５０×１０6ｐｓｉ）、好ましくは、約２．７５６８×１０11Ｎ／ｍ2（４０×１０6ｐｓｉ）である。この繊維の断面は、約６．３５μｍ（０．０００２５インチ）〜約７．６２μｍ（０．０００３０インチ）の範囲内である。クロスプライの配向は、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５に対して所定角度θとなっており、好ましくは、約±３８°〜約±４２°の範囲内であり、最も好ましくは、約±４０°である。
【００３４】
クロスプライ６２の翼幅方向幅寸法Ｄｃｗは、プライ毎に異なっているため、結果として、その端部６２ｅaが、隣接したクロスプライよりも、長く延びたり、もしくは短く延びることとなる。しかし、各クロスプライ６２の翼弦方向幅寸法は、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５に沿って、すなわちロータブレードのルート端部２から先端部４まで、一定である。
【００３５】
クロスプライ６２が積み重ねられて整列される（すなわち積層される）ことによって、クロスプライ積層６０が構成される。本願で使用されているように、「積む」もしくは「積層する」という用語は、プライを積み重ねて積層を構成すること、このようなプライをモールド面上に配置すること、もしくは、モールド面に全積層を配置して硬化前の複合材料スパーを組み立てること、を意味している。好適な実施例では、３つのクロスプライ積層、すなわち、最内部クロスプライ積層６０ｉ、最外部クロスプライ積層６０ｏおよび中間部クロスプライ積層６０ｍがそれぞれ示されているが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、これより少数もしくは多数のクロスプライ積層を利用することも可能であることは理解されるだろう。
【００３６】
樹脂が含浸された複数の単方向プライ７２が積み重ねられて整列されることにより、少なくとも１つの単方向積層７０が、上方側壁部４０および下方側壁部４２に、それぞれ構成される。好ましくは、プライ７２は、２つの単方向積層、すなわち最内部単方向積層７０ｉおよび最外部単方向積層７０ｏをそれぞれ構成し、クロスプライ積層６０ｉ，６０ｏ，６０ｍの間に配置される。単方向プライ７２は、高弾性率繊維および低弾性率繊維（例えば、それぞれ、グラファイトおよび繊維ガラス）が結合マトリックス中に含まれたものからなる。繊維ガラスの引張り強度は、通常、約４．５５×１０11Ｎ／ｍ2（６６０，０００ｐｓｉ）であり、弾性率は、約６．８９２×１０10（１０×１０6ｐｓｉ）〜約９．４８×１０10Ｎ／ｍ2（１４×１０６ｐｓｉ）、好ましくは、約８．６８３×１０10Ｎ／ｍ2（１２．６×１０6ｐｓｉ）ある。さらに、断面は、約８．８９μｍ（０．０００３５インチ）である。グラファイト繊維の強度、弾性率および厚さは、上述したクロスプライ６２に利用されていたものと同じである。高弾性率繊維および低弾性率繊維の配向は、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５に対して、ほぼ平行であり、つまり５°より小さくなっており、好ましくは、０°となっている。
【００３７】
図４を参照すると、単方向積層７０ｉ，７０ｏの単方向プライ７２が結合つまり集合化されることによって、高弾性率の繊維強化材料および低弾性率の繊維強化材料の交互層７４が構成されている。好ましくは、高弾性率の繊維強化材料の層７４Ｈは、低弾性率の繊維強化材料の層７４Ｌの間に配置されている。より好ましくは、低弾性率材料層７４Ｌは、クロスプライ積層（図４には示されていない）に隣接して配置される。以下でより詳細に述べるように、クロスプライ積層は、歪みが均衡された積層を形成するのに有用なものである。
【００３８】
単方向プライ７２の翼弦方向幅寸法は、各層７４の全プライに亘ってほぼ一定であるが、端部７２ｅが距離Ｄｓだけずれるように、例えば、右方から左方へ、もしくはこの逆方向に、ずらして配置されている。端部７２ｅの位置をずらすことによって、最終的な複合材料スパー１０で得られる厚さ移行部分を形成することが容易となる。さらに、単方向プライ７２の幅寸法を、各単方向積層７０内部の層７４に亘って増大させることによって、このような厚さ移行部分に適合される。クロスプライ６２と同様に、各単方向プライ７２の翼弦方向幅寸法Ｄｃｗは、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５に沿って一定である。
【００３９】
このような構造を得るために利用可能な樹脂マトリックス材料は、例えばへクセルコーポレイション社から購入可能な「８５５２」といったエポキシ樹脂である。しかし、いかなるエポキシ樹脂系（例えばＢＡＳＦから購入可能な「５２２５」）も利用可能である。
【００４０】
図５は、複合材料スパーの右手側（後方）部分を示す拡大断面図であり、クロスプライ積層６０および単方向積層７０の位置および配列をより明確に示している。単方向積層７０は、複合材料スパー１０の上方側壁部４０および下方側壁部４２にそれぞれ配置されており、クロスプライ積層６０の間に挿入されている。好適な実施例では、単方向積層７０は、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７における遷移部５０にまで延びている。このため、クロスプライ積層６０は、上方側壁部４０および下方側壁部４２で、それぞれ離間されており、遷移部５０で、段階的に集束している。クロスプライ積層６０は、終結部５２で完全に集束しており、この終結部５２では、端部６２ｅａ，６２ｅｂによって、クロスプライの厚さが一定となっている。従って、側壁部４０，４２における積層の厚さが、終結部５２における積層よりも大きくなっていることは、明らかであろう。
【００４１】
より詳しくは、好適な実施例によると、単方向積層７０ｉ，７０ｏがクロスプライ積層６０の間に挿入されており、これによって、最内部クロスプライ積層６０ｉ、最外部クロスプライ積層６０ｏおよび中間部クロスプライ積層６０ｍが、上方側壁部４０、下方側壁部４２および遷移部５０に、それぞれ形成されている。さらに、単方向積層のずらして配置された端部７２ｅが、円錐状部４５，４７における遷移部５０まで延びているとともに、この部分で、段階的に終了している。
【００４２】
簡単に上述したように、クロスプライ積層６０の端部６２ｅa，６２ｅbは、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７まで延びている。上方側壁部４０を構成しているクロスプライ積層６０の端部６２ｅaは、下方側壁部４２を構成しているクロスプライ積層６０の端部６２ｅbに重なっており、これによって、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７で、滑り面境界６６が、互いに隣接したクロスプライの間に形成されている。さらに、端部６２ｅa，６２ｅbによって、円錐状部４５，４７に構造的接合部６８が形成されている。好ましくは、構造的接合部６８は、突合わせ接合部であり、応力集中が特定部分に生じないように円錐状部４５および後方円錐状部４７でずらして配置されている。突合わせ接合部６８の間の外周長さＬｂは、約０．４４８ｃｍ（０．１７５インチ）〜約０．８３２ｃｍ（０．３２５インチ）であり、好ましくは、約０．６４ｃｍ（０．２５インチ）である。
【００４３】
図６を参照すると、単方向積層の単方向プライ７２が、それらの間に強化構造８０のプライを備えていることが示されている。強化構造８０は、低弾性率の繊維ガラス材料からなっており、その配向は、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５に対して、約±８０°以上、好ましくは、約９０°となっている。この構造は、含浸されていない状態（結合マトリックスを含まない状態）で使用することが可能であり、もしくは、単方向プライ７２と結合されることにより含浸された対８２となった状態で使用することも可能である。含浸されていない状態で使用する場合は、硬化処理中に、隣接したプライから樹脂が流れることによって、この構造が飽和される。この強化繊維の引張り強度は、通常、約４．５５×１０11Ｎ／ｍ2（６６０，０００ｐｓｉ）であり、弾性率は、約６．８９２×１０10Ｎ／ｍ2（１０×１０6ｐｓｉ）〜約９．４８×１０10Ｎ／ｍ2（１４×１０6ｐｓｉ）であり、好ましくは、約８．６８３×１０10Ｎ／ｍ2（１２．６×１０6ｐｓｉ）である。さらに、断面は、約８．８９μｍ（０．０００３５インチ）である。
【００４４】
本発明の複合材料スパーは、図７ａ〜図７ｅに示されているように形成することが可能である。形成方法についての１つの実施例では、複合材料スパー１０を構成するために、最内部モールド９０、最外部モールド１００および中間部モールド９５が使用されている。これらのモールドの寸法、すなわち外側モールド線（ＯＭＬ）は、最内部モールド９０から最外部モールド１００まで、段階的に、大きくなっており、これによって、複合材料が段階的に積層されるようになっている。図７ａを参照すると、最内部モールド９０は、相補型モールドハーフ９０ａ，９０ｂを備えており、これらは、最内部単方向積層７０ｉおよび最内部クロスプライ積層６０ｉを積層するのに利用されている。モールドハーフ９０ａ，９０ｂのモールド面９４ａ，９４ｂによって、上方側壁部４０、下方側壁部４２、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７が画定されている。理解し易いように、複合材料スパー１０の部分および小部分に対応する参照数字が、相補型モールドハーフ９０ａ，９０ｂの対応するモールド面９４ａ，９４ｂにも使用されている。
【００４５】
本発明の好適な実施例によると、最内部単方向積層７０ｉが、最初に、最内部モールド９０のモールドハーフ９０ａ，９０ｂに積層される。遷移部５０での厚さ移行部分の形成が容易となるように、高弾性率の繊維強化材料層および低弾性率の繊維強化材料層７４をそれぞれ構成する単方向プライ７２は、プライ毎にずらして配置される。単方向プライ７２がモールド面９４ａ，９４ｂの終結部５２まで延びることがないように、単方向プライ７２の幅が選択されている。強化構造８０のプライが積層される場合、単方向積層７０は、複数の含浸されたプライ対８２（図６参照）、すなわち単方向プライ７２および強化構造８０を備えたものとなる。
【００４６】
続いて、最内部クロスプライ積層６０ｉが、最内部単方向積層７０ｉの上に積層され、これによって、クロスプライ積層６０ｉの端部６２ｅが、モールド面９４ａ，９４ｂの前方円錐状部４５および後方円錐状部４７まで延びることとなる。一方の相補型モールドハーフ９０ａ，９０ｂにおけるクロスプライ積層６０ｉの端部６２ｅが、モールド面９４ａ，９４ｂよりも延びていることによって、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７に、構造的接合部６８および関連する滑り面６６を形成することが容易となっている。上述したように、個々のクロスプライ６２は、その端部６２ｅの位置がずれるように、翼弦方向寸法が選択されているため、各構造的接合部６８の位置が分散する。クロスプライ積層６０ｉおよび単方向積層７０ｉの翼弦方向幅は、スパー１０の長手方向軸線２５に沿って一定となっているため、材料を切断したり折曲したりする必要がない。
【００４７】
図７ｂを参照すると、最内部モールド９０について上述したものと同様な積層工程で、中間部クロスプライ積層６０ｍおよび最外部単方向積層７０ｏが、中間部モールド９５の相補型モールドハーフ９５ａ，９５ｂに積層されている。上述したように、複合材料を積層するために、モールド面９８ａ，９８ｂのＯＭＬ寸法は、モールド面９４ａ，９４ｂよりも、僅かに大きくなっている。
【００４８】
図７ｃを参照すると、相補型モールドハーフ１００ａ，１００ｂを備えた最外部モールド１００が、最外部クロスプライ積層６０ｏを積層するために利用されている。最外部モールド１００のモールド面１０４ａ，１０４ｂは、上方側壁部４０、下方側壁部４２、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７の外側モールド線の外形に対応しているとともに、これらを画定している。最外部クロスプライ積層６０ｏは、最外部モールド１００の相補型モールドハーフ１００ａ，１００ｂに積層されており、これによって、端部６２ｅがモールド面１０４ａ，１０４ｂの前方円錐状部４５および後方円錐状部４７まで延びている。最内部モールド９０および中間部モールド９５について上述した積層工程と同様に、一方の相補型モールドハーフ１００ａ，１００ｂにおけるクロスプライ積層６０ｏの端部６２ｅが、モールド面１０４ａ，１０４ｂよりも延びており、これによって、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７に、構造的接合部６８および関連する滑り面６６を形成することが容易となっている。ここでもまた、端部６２ｅの位置がずらされることによって、円錐状部４５，４７に構造的接合部６８を形成し、分散させることが容易となっている。クロスプライ積層６０ｉおよび単方向積層７０ｉの翼弦方向幅は、スパー１０の長手方向軸線２５に沿って一定となっている。
【００４９】
最内部モールド９０、中間部モールド９５および最外部モールド１００の相補型モールドハーフに積層されたクロスプライ積層６０および単方向積層７０は、続いて、周知のデバルク技術によってデバルクされる。例えば、不浸透性のナイロンもしくはシリコンの「真空バッグ」が相補型モールドハーフを覆うように配置され、この真空バッグの端部が、テープもしくは他の方法で、モールドハーフに固定される。真空ポートがバッグに取り付けられ、積層で占められた空隙が真空引きされる。真空引きされた状態で、大気圧によりバッグが積層に押し付けられることによって、積層のプライが部分的に連結する。
【００５０】
次に、図７ｄに示されているように、複合材料スパー１０の内側形状に対応した形状を有する膨張式内部マンドレルアッセンブリ１１０が、最内部モールド９０の一方の相補型モールドハーフ９０ｂに配置される。マンドレルアッセンブリ１１０は、不浸透性ブラダ１１４により包囲された剛性構造１１２を備えており、不浸透性ブラダ１１４が硬化処理中に加圧される。構造１１２は、剛性材料から構成されており、好ましくは、温度上昇に応じてその寸法が小さくなるポリスチレン発泡材から構成されている。同じモールドの他方のモールドハーフ９０ａが、内部マンドレルアッセンブリ１１０の表面に配置され、これによって、残りの最内部クロスプライ積層６０ｉおよび単方向積層７０ｉが、マンドレルアッセンブリ１１０の表面に配置される。材料の取扱いが容易となるように、クロスプライ積層および単方向積層６０ｉ，７０ｉ，６０ｍ，７０ｏを積層する前に、離型剤つまり移送用フィルムをモールド面９４ａ，９４ｂ，９８ａ，９８ｂに配置することも可能である。このような離型剤もしくはフィルムによって、積層が、最内部モールド９０および中間部モールド９５から容易に取り除かれるようになる。モールドが開かれ、クロスプライ６２の端部６２ｅが、マンドレルアッセンブリ１１０において複合材料スパー１０の前方円錐状部４５および後方円錐状部４７に対応する部分に亘って折曲され、これによって、最内部クロスプライ積層６０ｉが接合される。端部６２ｅが折曲されて接合される際に、熱源をそれらに近づけることによって、円錐状部４５，４７での接合状態をより改善することも可能である。マンドレルアッセンブリ１１０は、最内部クロスプライ積層６０ｉおよび単方向クロスプライ積層７０ｉを備えた状態で、順に、残りのモールド、すなわち、中間部モールドもしくは最外部モールドの一方の相補型モールドハーフの内部に配置され、上述した工程が繰り返されることによって、所望どおりに、中間部クロスプライ積層６０ｍおよび最内部クロスプライ積層６０ｏが係合するようになる。
【００５１】
図７ｅを参照すると、最内部モールド９０〜最外部モールド１００により形成された積層６０ｉ，７０ｉ，６０ｍ，７０ｏ，６０ｏが組み立てられることによって、プリフォームアッセンブリ１２０が形成されている。該プリフォームアッセンブリ１２０では、単方向積層７０が、クロスプライ積層６０の間に挿入された状態となっている。最外部モールド１００がプリフォームアッセンブリ１２０を覆って閉じられ、オートクレーブ内に配置されることによって、硬化される。
【００５２】
膨張式マンドレルアッセンブリ１１０の不浸透性ブラダ１１４を加圧することによって、クロスプライ積層６０および単方向積層７０に成形圧力が加えられる。加圧することによって、積層６０，７０が、最外部モールド１００のモールド面１０４ａ，１０４ｂに押し付けられて圧縮される。続いて、このアッセンブリ全体は、例えばオートクレーブ内での高温処理によって硬化され、これによって、複合材料スパー１０が硬化される。高温硬化中に、剛性構造１１２は、元の寸法の約１０％にまで収縮するため、複合材料スパー１０の内側から取り除くことが容易となる。
【００５３】
上述した方法には、必然的に、一定の手作業、すなわちクロスプライ６２の端部６２ｅを円錐状部４５，４７で折曲させることが含まれるが、自動操作が可能な他の製造方法を利用することも可能である。このような形成方法の１つが、図７ｆ〜図７ｊに示されている。膨張式マンドレルアッセンブリ１１０が、主要な積層器具として使用されており、スパー成形装置２００によって、複合材料積層６０，７０をマンドレルアッセンブリ１１０の周りに形成することが容易となっている。マンドレルアッセンブリ１１０の周りに積層６０，７０を組み立てるいくつかのステップについて説明する前に、スパー成形装置２００について簡単に説明する。
【００５４】
図７ｆでは、スパー成形装置２００は、第１ペデスタル支持部２０４ａおよび第２ペデスタル支持部２０４ｂを支持するための基部２０２を備えており、各支持部２０４ａ，２０４ｂは、旋回可能なリンク機構２０５によって、基部２０２に取り付けられている。さらに、スパー成形装置２００は、第１の成形／デバルクアッセンブリ２０８ａおよび第２の成形／デバルクアッセンブリ２０８ｂを備えており、各成形／デバルクアッセンブリは、各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの下方に配置された基部プレート２０６と、各基部プレート２０６に旋回可能に取り付けられた骨組式真空成形ブラッダ２１０と、各基部プレート２０６に連結されているとともに各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂを囲んでいる隆起型シールストリップ２１２と、を備えている。骨組み式真空成形ブラッダ２１０および隆起型シールストリップ２１２は、一般的なデバルク装置（例えば、オハイオ州コロンブスのブリスクヒート社製の「ブリスクヒート」）と、同様な機能および構造を有する。
【００５５】
以下の図に示されているように、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、第１の向きから第２の向きまで旋回可能となっており、これによって、膨張式マンドレルアッセンブリ１１０の向きが操作されるようになっている。膨張式マンドレルアッセンブリ１１０は、製造工程のいくつかのステップで、一方のペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの頂部で停止する。このような操作によって、複合材料積層を積層するためにマンドレルアッセンブリ１１０の両側にアクセスすることが可能となっている。以下の説明を容易とするために、マンドレルアッセンブリ１１０、および／または積層工程のいくつかの段階での複合材料積層の一部もしくは全部を備えたマンドレルアッセンブリ１１０、をマンドレルアッセンブリ１１０と称する。
【００５６】
各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、妨げられることなく、複合材料スパーの円錐状部４５，４７に対応する面にアクセスすることを可能としながら、膨張式マンドレルアッセンブリ１１０を完全に支持するのに適した構成となっている。さらに詳しくは、好ましくは、各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、マンドレルアッセンブリ１１０の全長に亘って延びており、かつその幅寸法Ｄｐｗが、マンドレルアッセンブリ１１０の幅Ｄｍよりも小さくなっている。より好ましくは、幅寸法Ｄｐｗは、複合材料スパーの側壁部の幅と同じか、これより小さくなっている。以下の説明でより明らかとなるように、このような形状は、円錐状部４５，４７での突合わせ接合部の形成を可能とするために必要である。
【００５７】
このような製造技術では、図７ｇに示されているうように、膨張式マンドレルアッセンブリ１１０は、一方のペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの頂部に配置され、確実位置決め器具２２０（想像線で示されている）によって後方で位置決めされる。図示されているように、位置決め器具２２０は、いくつかの翼幅方向位置で、ペデスタル支持部２０４ａの一方の側部に配置されていることによって、マンドレルアッセンブリ１１０用の翼弦方向へのストッパとなっている。さらに、位置決め器具２２０は取り外し可能となっており、これによって、続いて複合材料積層６０，７０の積層および形成／デバルクを行うことが可能となっている。
【００５８】
位置決め器具２２０が取り外された後、その機能は、電磁コイルシステムによって代わりに得られるようになっている。該電磁コイルによって、マンドレルアッセンブリ１１０と各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂとの間に磁気クランプ力が発生する。機能的には、電磁コイルシステムは、マンドレルアッセンブリ１１０の正確な向きを維持し、マンドレルアッセンブリ１１０がペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの間で操作／移送される間、マンドレルアッセンブリ１１０の向きを保持／維持する。さらに詳しくは、電磁コイルシステムは、各ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂと連結された１つあるいは複数の電気駆動式コイル２３２と、コイル２３２への電力を印加／切断するための制御可能な電源２３４と、を備えている。膨張式マンドレルアッセンブリ１１０は、電磁回路の１つの磁極として機能するように、鉄製部材２３６を発泡構造１１２に備えるように改造されている。マンドレルアッセンブリ１１０の位置決めおよび操作を行うのに必要な磁界強度は、特定の用途によって異なる。通常は、必要な磁力は、コイル２３２と鉄製部材２３６との間の距離と、マンドレルアッセンブリ１１０の重量と、に依存する。このような電気駆動式コイル２３２は、ペンシルベニア州ベスレヘムのエバーソンエレクトリック社から入手可能である。
【００５９】
好適な実施例では、複数のコイル２３２および鉄製部材２３６が、いくつかの翼幅方向位置に設けられており、すなわち、マンドレルアッセンブリ１１０の長手方向に沿って離間されており、これによって、重量が低減されている。さらに、このような製造方法を利用する場合、発泡構造１１２を、高密度発泡材（例えば約４ｌｂｓ／ｆｔ3（６４ｋｇｓ／ｍ3）以上の密度の発泡材）から構成することによって、発泡構造１１２が、加えられた磁力によって粉砕／損傷しないようにすることが好ましい。
【００６０】
図７ｈでは、複合材料スパー１０の上方側壁部４０に対応する最内部クロスプライ６０ｉおよび最内部単方向プライ７０ｉが、マンドレルアッセンブリ１１０上に積層されており、成形／デバルク処理が行われている。このような成形／デバルク処理は、積層６０ｉ，７０ｉの各プライが積層された後に行うことが可能であり、代わりの実施例として、複数の積層６０ｉ，７０ｉが積層された後に行うことも可能である。成形／デバルク処理には、以下のステップが含まれる。ブラッダ２１０がシールストリップ（図７ｈではブラダ２１０と係合している）と係合した状態となるように、真空成形ブラダ２１０により積層６０ｉ，７０ｉを包囲する。続いて、これらの間に画定された空隙を真空引きして、積層６０ｉ，７０ｉをマンドレルアッセンブリ１１０に押し付ける。上述したように、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、クロスプライ積層６０ｉをマンドレルアッセンブリ１１０の周りに巻き付け、突合わせ接合部を円錐状部４５，４７に形成することができるような適切な寸法となっている。さらに、真空成形ブラッダ２１０がマンドレルアッセンブリ１１０の形状に容易に適合するように、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂと各シールストリップとの間の垂直方向距離に依存して、真空成形ブラッダ２１０を高伸縮性材料から形成することが望ましい。好適な実施例では、真空成形ブラッダ２１０は、厚さが約０．０３０インチ（０．０７６ｃｍ）、弾性率が約６００ｐｓｉ（４１３４ｋＰａ）のエラストマー材料から形成されている。
【００６１】
全てのクロスプライ積層６０ｉおよび単方向クロスプライ７０ｉがマンドレルアッセンブリ１１０の一方の側に積層されてしまった後で、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、図７ｈおよび図７ｉにそれぞれ示されているように、水平位置から垂直位置まで回転される。好適な実施例では、これは、一般的なウォームギアー駆動装置２３８（図７ｉ参照）によって自動的に行われるようになっているが、いかなる装置も、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの制御された同時回転を行うために利用することが可能である。ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂが、互いに対向し、かつマンドレルアッセンブリ１１０に連結した状態となった後で、第１ペデスタル支持部２０４ａの電気駆動式コイル２３２ａの電力が切断され、第２ペデスタル支持部２０４ｂの電気駆動式コイル２３２ｂに電力が印加される。従って、マンドレルアッセンブリ１１０は、第１ペデスタル支持部２０４ａから離され、第２ペデスタル支持部２０４ｂに保持される。複合材料積層６０ｉ，７０ｉを積層した結果生じる厚さの変化、および／またはペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂを正位置まで回転させるのに必要なクリアランスに適合させるために、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂの一方もしくは両方を直線的に変位させる手段を備えることが望ましい。例えば、テレスコーピング装置２４０を、一方もしくは両方の支持リンク２０５に備え、これによって、支持部２０４ａ，２０４ｂの位置を調整することによって、これらをマンドレルアッセンブリ１１０に密接させることが可能である。代わりの実施例として、一方もしくは両方のリンク支持機構２０５に、直線移動型のベアリング（図示せず）を備えることによって、所望の直線移動を行うことも可能である。
【００６２】
マンドレルアッセンブリ１１０が一方のペデスタル支持部２０４ａから他方のペデスタル支持部に移送された後、これらの支持部が、図７ｊに示されているように、再び水平位置まで回転されることによって、積層工程が続けられる。ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂは、同時に回転するように図示されているが、この製造工程を進行するためには、支持部２０４ａ，２０４ｂのうちの一方のみを回転させればよい。
【００６３】
この後のステップでは、複合材料積層６０，７０の積層、成形／デバルク、一方のペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂから他方のペデスタル支持部へのマンドレルアッセンブリ１１０の移送、を繰り返し行うことによって、マンドレルアッセンブリ１１０の側面への積層を容易としている。この工程は、全ての複合材料積層６０，７０が積層されて、上述したプリフォームアッセンブリ１２０が形成されるまで続けられる。
【００６４】
プリフォームアッセンブリ１２０は、硬化モールド（図示せず）内に配置される。該硬化モールドは、上方側壁部４０、下方側壁部４２、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７の外側モールド線（ＯＭＬ）の外形に対応しているとともに、これらを画定している。以下の説明のために、このような硬化モールドは、最外部複合材料積層６０ｏ，７０ｏの積層のために用いられるものでないこと以外は、上述した最外部モールドアッセンブリ１００と同様な構造を有するものとする。従って、硬化モールドおよび最外部モールド１００は、複合材料積層６０，７０を硬化する際に、同様な機能および利点を有することは認識されるべきである。
【００６５】
特定の積層構造および複合材料スパー１０を形成するための形成方法ステップについての説明が終了したので、以下では、本発明の構造上の利点および製造上の利点について述べる。
【００６６】
図２を再び参照すると、上方側壁部４０および下方側壁部４２に配置されている単方向積層７０の単方向配向の繊維は、フラップ方向の曲げ応力が大きい部分に配置されており、これによって、フラップ方向の曲げ強度が増大されている。このように単方向繊維を配置することによって、フラップ方向曲げ中立軸５４からの距離が大きくなっており、これによって、フラップ方向の曲げ強度が大きくなっているとともに、構造的効率が好適なものとなっている。円錐状部４５，４７は、フラップ方向曲げ中立軸５４に近接しているため、このように繊維を配置することの効果は小さい。従って、単方向繊維は、円錐状部４５，４７には用いられていない。これに対して、突合わせ接合部６８は、フラップ方向曲げ中立軸５４に近接していることに起因してフラップ方向曲げ応力が小さい部分（すなわち前方円錐状部４５および後方円錐状部４７）に、配置される。このような配置によって、応力（すなわちフラップ方向曲げ応力および構造的接合部６８に起因する応力集中）が重複しないようにすることができる。このような配置では、エッジ方向曲げ軸５５からの距離オフセットに起因してエッジ方向の曲げ応力が大きい部分に、構造的接合部６８を配置することとなるが、前縁外装１３および後縁ポケットアッセンブリ１６により得られる剛性によって、円錐状部４５，４７におけるエッジ方向曲げ応力は軽減される。応力をさらに緩和するためには、構造的接合部６８が、円錐状部４５，４７でずらして配置され、分散される。
【００６７】
クロスプライ積層６０の繊維配向が軸方向に±４０°傾いている（すなわち長手方向軸線２５の方向に傾いている）ことによって、複合材料スパー１０に亘って軸方向の強度および剛性が増大するとともに、ねじり剛性が得られる。このような繊維配向によって、フラップ方向軸５４および長手方向軸線２５に関連する結合されたねじり剛性および軸方向剛性が適したものとなっており、これによって、重量効率が大きくなっている。さらに、軸方向への傾きによって、熱による応力が抑制され、この結果、微視亀裂の影響が小さくなる。この現象をより理解するために、図８ａを参照すると、基準座標系のＹ軸に対して±５０°傾斜したクロスプライの上層１３２ｕおよび下層１３２ｌと、０°の単方向プライの中間層１３４と、を有する複合材料材料１３０の有限要素が示されている。説明のために、これらの層に選択されている材料は、同じものとする。この図では、さらに、オートクレーブ内での硬化といった、温度が大きく変化する状態に置かれた場合の過度歪みプロファイル１３６の進行状態が示されている。これは、クロスプライ１３２ｕ，１３２ｌと単方向プライ１３４の熱膨張係数αｘの差が大きいことに起因して生じる。単方向材料のαｘは、結合マトリックスの特性に支配される（すなわち「樹脂支配」）ため、単方向材料の熱膨張係数は、通常、クロスプライ材料（すなわち「繊維支配」）よりも数オーダー大きい。繊維支配材料は、熱膨張方向に対して±４５°以上の配向を有する繊維を含んでいる繊維マトリックス複合材料として定義される。従って、この±５０°繊維は、Ｘ軸に沿った熱膨張率が繊維により支配つまり制御されるため、繊維支配である。過度歪み分布が進行することによって、積層１３０内部に微視亀裂１３８が発生し、結果として、積層全体の強度が低減する可能性がある。
【００６８】
微視亀裂の影響を抑制するために、本発明では、繊維配向が、複合材料スパー１０の長手方向軸線２５（図８ａのＹ軸に相当する）に対して約±４２°〜±３８°であるクロスプライ積層６０を使用している。このような配向によって、「樹脂支配」である単方向積層７０の熱歪み特性により厳密に整合した「樹脂支配」マトリックスとなる。さらに詳しくは、クロスプライの繊維配向を±４５°から±４０°とすることにより、クロスプライ積層６０と単方向積層７０の熱膨張の不整合性が、３分の１に減少する。
【００６９】
微視亀裂をさらに抑制するために、複合材料スパー１０の全ての層７４の間に、好ましくは、全単方向プライ７２の間に、強化構造８０が配置される。図８ｂは、本発明の教示を備えた複合材料部材１４０の有限要素の拡大図である。複合材料材料は、±４０°クロスプライ積層６０と、繊維配向が０°の多層プライ単方向積層７０と、これらの間に配置された強化構造８０と、を備えている。上述したように、強化構造８０には、長手方向軸線２５に対して約８０°以上、好ましくは約９０°以上の配向を有する低弾性率の繊維が使用されている。この強化構造８０によって、結合マトリックスを横方向（Ｘ軸方向）に強化するとともに、積層間の熱的不整合性の程度を減少させることができる。従って、強化構造８０を用いることと、クロスプライの配向を±４５°もしくは±５０°から±４０°にまで減少させることと、を組み合わせることによって、熱歪みプロフィル１４６（図８ｃ参照）の程度は、著しく減少し、これによって、積層の強度が改善される。
【００７０】
微視亀裂を防止することに加えて、単方向積層７０の低弾性率層７４Ｌに、強化構造８０の低弾性率繊維を連結させることによって、優れた損傷許容度が得られる。さらに詳しくは、通常運転中、低弾性率の繊維ガラス（低弾性率層７４Ｌ）に加わる荷重は、その強度容量以下であるのに対して、高弾性率のグラファイト繊維は、より大きな荷重を受け、ブレードの軸方向荷重の大部分に対抗する。低弾性率繊維の伸縮性が高い限り、すなわち、歪み−損傷比率が高弾性率のグラファイト繊維の３倍である限り、低弾性率繊維は、過度に損傷することなく、高レベルの衝撃エネルギーを吸収することが可能である。従って、エッジ方向の弾道衝撃が生じた場合、最初に、高荷重が加わるグラファイト繊維が衝撃エネルギーを吸収し、この繊維に破損もしくは損傷が生じた場合、繊維ガラスが、残りの荷重を損傷せずに吸収することとなる。従って、投射エネルギーが吸収および／または偏向されることによって、十分な繊維の強度／成分、すなわち５０％以上の強度／成分が維持され、これによって、安全な飛行運転が続けられる。
【００７１】
以上の説明では、横方向（Ｘ軸方向）の熱的特性について述べたが、以下では、長手方向の熱歪み特性について述べる。歪みが一様に均等化された積層を形成するために、材料の選択および配置に重点が置かれている。結合マトリックスが強化繊維によって支持されているため、微視亀裂は、長手方向（Ｙ軸）には、多く発生しない。
【００７２】
図８ｄは、±４０°の上方クロスプライ積層および下方クロスプライ積層６０と、これらの間に配置された０°の単方向積層７０と、を有する複合材料部材１５０の端部（断面図）を示している。クロスプライ材料の上方積層および下方積層６０は、高弾性率のグラファイト繊維からなり、単方向積層は、高弾性率のグラファイトおよび低弾性率の繊維ガラスが混在したものからなる。グラファイトのクロスプライ積層６０の熱膨張係数αｙは、グラファイト／繊維ガラスの単方向積層７０よりもはるかに小さいため、図示されているような歪みプロフィル１５６が生じる。しかし、０°繊維の熱膨張係数が±４０°繊維とほぼ同じであるという特性がグラファイト材料に存在する。従って、歪みプロフィルを減少させるには、単方向積層内部にグラファイト繊維を選択的に配置することが好ましい。図８ｅを参照すると、改善された複合材料部材１６０の端部において、高弾性率のグラファイト繊維の中間層７４Ｈが、低弾性率の繊維ガラスの層７４Ｌの間に挿入されていることが示されている。高弾性率のグラファイトは、低弾性率の繊維ガラスの熱歪みをその両側で抑制するように機能するため、歪みプロファイル１６６が減少つまり平坦化される。従って、このような材料の分配によって、歪みが均衡された積層が得られる。
【００７３】
ここで、本発明の製造上の利点を述べると、このような配置および突合わせ接合部６８の位置は、構造的効率の向上および製造工程の容易化という２つの目的のために有益である。このような構成の製造上の利点は、図９ａおよび図９ｂを参照することによって最も理解される。これらの図は、最外部モールド１００（もしくは硬化モールドであり、選択された製造方法に依存するもの）の内部で、一部膨張した状態の膨張式内部マンドレルアッセンブリ１１０を示している。不浸透性ブラッダ１１４と剛性構造１１２との間、ブラッダと積層との間、の空隙１１６は、例示する目的のために、強調して図示されている。膨張式ブラッダは、複合材料スパー１０の楕円形状とされる前に、まず、球状もしくは円形状に形成されることは明らかであろう。従って、ブラッダにより、最初に、上方垂直矢印および下方垂直矢印１１８ｖの方向に、スパー１０の側壁部４０，４２が圧縮され、この部分が完全に圧縮された後（図９ｂ参照）に、前方水平矢印および後方水平矢印の方向に、前方円錐状部４５および後方円錐状部４７が圧縮される。構造的接合部および関連する滑り面が、例えば側壁部といった、円錐状部以外の部分に配置された場合、膨張式ブラッダによって、プライが最外部モールドにトラップされたり、挟まれたりし易くなり、滑り面が移動しなくなる傾向がある。従って、円錐状部４５，４７で積層の圧縮が完全に行われなくなり、積層の質が悪化することとなる。
【００７４】
本発明では、接合部６８および関連する滑り面６６（互いに隣接するクロスプライの間）が円錐状部４５，４７に設けられることによって、上述した問題が回避されているとともに、複合材料スパーの全積層が完全に圧縮されるようになっている。クロスプライ積層および単方向積層６０ｉ，７０ｉ，６０ｍ，７０ｏ，６０ｏを積層するためのモールド面は、ほぼ実寸法を有しており、すなわち、硬化された複合材料スパーの積層の最終的な形状および位置に可能な限り近いものである。積層時の寸法から硬化時の最終寸法までの公差を比較的小さくするためには、滑り面６６に沿った移動を最小とすることによって、積層の圧縮が、完全かつ均一に行われるようにすることが必要である。
【００７５】
本発明の方法では、幅が一定のクロスプライ積層６０および単方向積層７０が利用されており、このような積層は、予め切断して寸法決めされ、積層された後で、材料が切断もしくは折曲されることがない。このような簡単化された積層工程および加工方法（すなわち一定幅の多層プライ積層を用いること）によって、個々のプライの位置決めおよび切断を行うことに伴う従来技術の複雑性が取り除かれる。このことによって、材料の浪費および組立に必要な手作業が減少する。さらに、本発明の方法では、自動式積層が可能である。例えば、自動装置により、各プライもしくは積層を、相補型モールドハーフに巻き付けて積層し、続いて、デバルクを行うことが可能である。代わりの実施例として、一定幅の各積層を、一般的なテープ積層装置によって積層し、続いて、ピックアンドプレース装置によって、マンドレル全体に配置することも可能である。テープ積層装置（例えばシンシナティミリクロン社製のもの）を、上述したタイプの自動式積層を行うために利用することができる。さらに、トルドーの米国特許第５，２０９，８０４号および第５，２９０，３８６号に記載されているようなピックアンドプレース装置は、プライ／積層をモールド面に運搬／移送するのに有用である。
【００７６】
図１０を参照すると、複合材料スパー１０のルート端部および先端部におけるそれぞれのＯＭＬ外郭線形状１７０，１８０が、比較のために並べて示されている。垂直方向の厚さ寸法Ｄｒ，Ｄｔおよび翼弦方向の幅寸法Ｄｃｗｒ，Ｄｃｗｔが、それぞれ、ＯＭＬ形状１７０，１８０に対して示されている。厚さ寸法Ｄｒおよび／またはＤｔは、概ね、ロータブレードアッセンブリ６の所望のエアロフォイルの厚さ外形によって規定される。
【００７７】
図１に戻って参照する。一般的には、ヘリコプタのロータブレードの厚さを、先端部４よりもルート端部２の方を大きくすることによって、（回転軸２８からの径方向距離が、先端部４よりも小さいことに起因して）空気流の速度が小さい領域で、より大きな揚力が得られるようにすることが望ましい。従って、通常は、複合材料スパー１０の厚さおよび／または幅の寸法は、エアロフォイル外形の変化に従って徐々に減少される。例えば、エアロフォイルの薄い部分に適合させるために、厚さは外側へと減少される。このような先細形状は、通常は、複合材料プライ積層を切断もしくは折曲することによって形成される。しかし、このような形成方法では、多くの労働力が必要となるとともに、繊維が連続していないことに起因して積層内部に付加的な応力集中が発生する。
【００７８】
ロータブレード先端部４に薄いエアロフォイル部分が必要であることに加えて、ロータ速度の急な減衰を防止するために、ロータの慣性力を維持する必要性がある。ロータ速度の急な減衰は、パイロットが多くのコマンド入力を行った場合、例えば、自動回転操縦中に、大きなスラスト／集中的なコマンド入力を行った場合に発生する。ロータの慣性力を増大させるためには、ロータブレード先端部６に慣性質量を付加するのが一般的である。このことは、従来技術の重量の大きいチタンおよびアルミニウムのロータブレードでは問題なかったが、複合材料構造により軽量となっていることは、ロータブレード先端部６の慣性質量を得るためには、幾分不利となる。
【００７９】
本発明の方法では、翼弦幅が一定であるクロスプライ６２および単方向プライ７２を用いることによって、このような外観上は関係のない設計上の問題に対処している。各プライの翼弦方向幅寸法Ｄｃｗは、予め規定されるとともに、スパーの長手方向軸線２５に沿って一定である。図１０のルート端部形状１８０および先端部形状１７０を観察すると、複合材料スパー１０の外側モールド線の外郭線に沿って測定した各部分の外周寸法は、ほぼ一定（他の部分の５％の範囲内）であることが認識されるだろう。このことは、一定幅のプライ６２，７２が使用されていることに起因しており、複合材料スパー１０の先端部の厚さＤｔが減少する結果、翼弦方向幅寸法Ｄｃｗｔが増加することとなる。従って、本発明では、複合材料スパー１０の増大した翼弦方向幅寸法およびこれに伴う重量を有効に活用することによって、ロータブレードの先端部における慣性力を修復している。
【００８０】
上述された発明の複合材料スパー１０は、１６枚のグラファイト繊維マトリックスクロスプライ６２と、３２枚のグラファイトおよび繊維ガラスの繊維マトリックス単方向プライ７２と、から構成されているが、特定用途のための荷重への要求事項に依存して、いかなる数の複合材料プライを用いることも可能である。本発明は、グラファイトおよび繊維ガラスの複合材料繊維を利用するものとして述べられたが、本願に開示された構成と同様な強度および弾性率が得られるものであれば、他の複合材料繊維を利用することも可能である。さらに、好適な実施例では、強化構造８０が全単方向プライ７２の間に挿入されたが、このような強化構造８０のプライを、スパーの強度および損傷許容度の所望の程度に依存して、取り除くことも可能である。
【００８１】
好適な実施例では、複合材料スパー１０は、最内部クロスプライ積層６０ｉ、最外部クロスプライ積層６０ｏおよび中間部クロスプライ積層６０ｍを、上方側壁部４０および下方側壁部４２に備え、単方向積層７０ｉ，７０ｏをクロスプライ積層の間に備えているものとして述べられたが、２つのクロスプライ積層、例えば６０ｉ，６０ｏを、上方側壁部４０および下方側壁部４２にそれぞれ備え、少なくとも１つの単方向積層、例えば７０ｉを同じ部分にそれぞれ備えることも可能である。同じ荷重に抵抗するためには、各積層により多数の複合材料のプライが必要となることは、認識されるだろう。さらに、付加的なクロスプライ積層６０および単方向プライ積層７０を利用することによって、複合材料積層をさらに強化するとともに、均衡化することが可能である。
【００８２】
本発明の１つの実施例では、複合材料スパーは、複数のモールドを利用して形成されることが述べられたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、２つ程度のモールド、例えば最内部モールド９０および最外部モールド１００、もしくは４つ以上のモールドを利用することも可能である。さらに他の実施例では、複合材料スパーは、成形／デバルクおよびマンドレル取り扱い操作を行うためのスパー成形装置２００を利用して形成されたが、他の自動装置を利用したり、もしくは自動装置を組み合わせて利用することによって、このような操作を別個に行うことも可能である。例えば、記載された実施例では、成形／デバルクアッセンブリ２０８ａ，２０８ｂが、ペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂと組み合わせられていたが、これらの部材は、一体化される必要はないことは認識されるべきである。同実施例では、マンドレルアッセンブリは、鉄製コア部材２３６を備えるように変更されていたが、マンドレルアッセンブリは、電磁コイルシステムとともに動作するために、鉄の性質のみを有していればよい。さらに、スパー成形装置は、正位置まで旋回および／または直線移動するペデスタル支持部２０４ａ，２０４ｂを備えていたが、マンドレルアッセンブリの向きを操作することが可能なものであれば、いかなる機構を利用することも可能である。
【００８３】
以上のことをまとめると、本発明では、微視亀裂を減少させ、損傷許容度を改善し、繊維強化材料の位置および向きを適切に決定することにより重量効率を最適化し、歪みが均衡された積層を形成している。加えて、この方法により、形成が容易化され、積層を一様に圧縮することが可能となり、組み立て時の手作業が減少し、自動化製造の再現性および適用性が得られる。最後に、この形成方法によって、長手方向軸線に沿って有効な質量分布を有する改善された複合材料スパーが得られる。
【００８４】
本発明は、その具体例に関して図示および説明が行われたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、上述したものおよびその他の変更、省略および追加を行うことも可能であることは、当業者に理解されるべきである。
【００８５】
本発明およびこれに付随する特徴および利点は、本発明についての以下の詳細な説明および図面を参照することによって、より完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の複合材料スパーを備えた複合材料ロータブレードアッセンブリの内側部分および外側部分を示す部分拡大図。
【図２】  複合材料スパーを示している、図１の線２−２に沿った断面図。
【図３】  図２の複合材料スパーの構成に利用される複合材料積層の拡大図であり、この積層に利用されているいくつかのクロスプライ積層および単方向積層の配向および配列を示している。
【図４】    図３の単方向積層の拡大図であり、高弾性率繊維および低弾性率繊維の交互層をより明確に示している。
【図５】  複合材料スパーの拡大断面図であり、複合材料スパーの様々な部分におけるクロスプライ積層および単方向積層を示している。
【図６】  図３の複合材料積層の拡大図であり、単方向積層内部の強化構造のプライを示している。
【図７ａ】    クロスプライ積層および単方向積層を積層するためにモールドを利用している複合材料スパーの形成を示している。
【図７ｂ】    クロスプライ積層および単方向積層を積層するためにモールドを利用している複合材料スパーの形成を示している。
【図７ｃ】    クロスプライ積層および単方向積層を積層するためにモールドを利用している複合材料スパーの形成を示している。
【図７ｄ】    クロスプライ積層および単方向積層を積層するためにモールドを利用している複合材料スパーの形成を示している。
【図７ｅ】    クロスプライ積層および単方向積層を積層するためにモールドを利用した複合材料スパーの形成を示している。
【図７ｆ】    形成技術の代わりの実施例を示す図であり、スパー成形装置に連結された膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するために利用されている。
【図７ｇ】    形成技術の代わりの実施例を示す図であり、スパー成形装置に連結された膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するために利用されている。
【図７ｈ】    形成技術の代わりの実施例を示す図であり、スパー成形装置に連結された膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するために利用されている。
【図７ｉ】    形成技術の代わりの実施例を示す図であり、スパー成形装置に連結された膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するために利用されている。
【図７ｊ】    形成技術の代わりの実施例を示す図であり、スパー成形装置に連結された膨張式マンドレルアッセンブリが、クロスプライ積層および単方向積層を積層するために利用されている。
【図８ａ】  本発明の教示を利用した場合のグラファイト繊維および繊維ガラスのマトリックス複合材料の熱歪み特性および熱歪みへの効果を示す図。
【図８ｂ】  本発明の教示を利用した場合のグラファイト繊維および繊維ガラスのマトリックス複合材料の熱歪み特性および熱歪みへの効果を示す図。
【図８ｃ】  本発明の教示を利用した場合のグラファイト繊維および繊維ガラスのマトリックス複合材料の熱歪み特性および熱歪みへの効果を示す図。
【図８ｄ】  本発明の教示を利用した場合のグラファイト繊維および繊維ガラスのマトリックス複合材料の熱歪み特性および熱歪みへの効果を示す図。
【図８ｅ】  本発明の教示を利用した場合のグラファイト繊維および繊維ガラスのマトリックス複合材料の熱歪み特性および熱歪みへの効果を示す図。
【図９ａ】  本発明の複合材料スパーを形成するための膨張式マンドレルの使用法を示す図。
【図９ｂ】  本発明の複合材料スパーを形成するための膨張式マンドレルの使用法を示す図。
【図１０】    内側部分および外側部分における複合材料スパーの外側モールド線の外形を示す図。
【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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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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【図７ｈ】
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【図７ｉ】
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【図７ｊ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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