JP4078017B2 - 宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、人工衛星や宇宙ステーションの構成部品として用いられるハニカムサンドイッチパネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空宇宙分野で、人工衛星や宇宙ステーションの構成部品として軽量でありながら強度的に優れたハニカムサンドイッチパネルが用いられている。このハニカムサンドイッチパネルは、例えばアルミニウムからなる蜂の巣状の空洞部を形成したハニカムコアの両側面にサンドイッチ状に重ねたシートからなる表面層及び裏面層によって構成されている。
【０００３】
表面層及び裏面層は、炭素繊維強化プラスチックまたはガラス繊維強化プラスチックからなるシートで形成されており、ハニカムコアの空洞部は通常は密閉されているが、宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネルは、耐真空性を持たせる必要がある。そこで、ハニカムコアの側面に通気孔を設け、真空域においては空洞部内の空気が通気孔から抜けるように構成されている。このようにすることで、コア内部に残留した空気の圧力によって表面板とコアが剥がされる方向に力が働くことを防ぐことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ハニカムコアには多数の空洞部が形成されており、すべての空洞部に通気性を持たせるにはその加工が困難である。また、表面層及び裏面層は、炭素繊維強化プラスチックによって形成され、通気性がないため、空洞部に空気が残っている状態で宇宙環境で使用すると、ハニカムサンドイッチパネルの内部と外部との圧力差によって表面層及び裏面層がハニカムコアから剥離したり、破損する虞がある。
【０００５】
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、宇宙環境で使用されるハニカムパネルの表面層、裏面層の両方または片方を、フェノール樹脂をマトリックスとして用いたプリプレグをオートクレーブ法により硬化、成形して、多孔質で通気性を有する繊維強化プラスチックとするとともにハニカムコアと融着して、ハニカムコアの空洞部と外部とを通気するようにしたことを特徴とする宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネルを得ようとするものである。
【０００６】
この発明は、ハニカムコアの上下面にサンドイッチ状に表面層および裏面層を設けた宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネルにおいて、前記表面層、裏面層の両方または片方を、フェノール樹脂をマトリックスとして用いたプリプレグをオートクレーブ法により硬化、成形して、多孔質で通気性を有する繊維強化プラスチックとするとともにハニカムコアと融着して、ハニカムコアの空洞部と外部とを通気するようにしたことを特徴とする宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル（請求項１）、前記繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチックである請求項１記載の宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル（請求項２）および前記繊維強化プラスチックは、表面層および裏面層の両方とも２層に積層したものである請求項１記載の宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル（請求項３）である。
【０００９】
前述のように構成されたハニカムサンドイッチパネルによれば、表面層及び裏面層が多孔質で通気性を有するため、真空域で使用した場合、空洞部内の空気は表面層及び裏面層から抜けるため、ハニカムサンドイッチパネルの内部と外部とに圧力差が生じることはなく、表面層及び裏面層がハニカムコアから剥離したり、破損することはなく、耐久性が得られる。また、周囲の圧力が常圧に戻った場合や、気圧を超えて高圧になった場合も、ハニカムコア内に空気が流入して、ハニカムサンドイッチ板に余分な力が加わることが無い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１はハニカムサンドイッチパネルの縦断側面図、図２はハニカムサンドイッチパネルの表面層の一部を切欠した平面図である。図１及び図２に示すように、例えば、航空宇宙分野で、人工衛星や宇宙ステーションの構成部品として用いられるハニカムサンドイッチパネル１１は、蜂の巣状の空洞部１２ａを形成したハニカムコア１２と、ハニカムコア１２の両側面にサンドイッチ状に重ねたシートからなる表面層１３と裏面層１４によって構成されている。
【００１２】
ハニカムコア１２は、例えばアルミニウム、ノーメックス、ＣＦＲＰ等によって一体に形成されている。表面層１３、裏面層１４の両方または片方は、ＣＦＲＰ、アラミド繊維強化プラスチック、ＧＦＲＰなどの繊維強化プラスチックで、いずれの場合もマトリックスにはフェノール樹脂を用いており、ハニカムコア１２の両面側に空洞部１２ａの開口を閉塞するように融着されている。フェノール樹脂をマトリックスとして用いた繊維強化プラスチックは、フェノール樹脂を炭素繊維などによって強化したものであり、フェノール樹脂は硬化時に多孔質となり、通気性を有する繊維強化プラスチックとなる。本実施形態においては、表面層１３及び裏面層１４は２枚のシートを重ね合わせているが１枚でもよいし、３枚以上でもよい。
【００１３】
次に、ハニカムサンドイッチパネルの耐真空試験について説明する。
【００１４】
試験供試体としてのハニカムサンドイッチパネルは、ハニカムコアとしてヘキサゴナルコアＨＲＨ１０−３／１６−３．０（ｔ＝１２．７ｍｍ）、表面層及び裏面層としてフェノールＣＦＲＰプリプレグである。ＳＲＣ−０９９Ｅ（櫻護謨株式会社製）をオートクレープ法により硬化、成形したものである。
【００１５】
供試体の寸法は、図３に示すように、長さＬ＝３０５±２．５ｍｍ、幅Ｗ＝７６．２±２．５ｍｍであり、クロス繊維方向は、矢印で示すように、０°／９０°、コアリボン方向は、矢印で示すように幅方向である。
【００１６】
［試験供試体数］
耐真空試験用供試体（Ａ１，Ａ２，Ａ３）：３ＥＡ（耐真空試験＋ドラムピール試験）を用意した。
【００１７】
比較用試験供試体（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）：３ＥＡ（ドラムピール試験のみ）を用意した。
【００１８】
［耐真空試験装置及び試験方法］
（１）試験機
ヘリウムリークディテクター：ＭＳＥ−１１Ｂオート型
（２）真空計
ピラニ真空計：ＲＭ−３２Ａ形
（３）真空容器（ステンレス製）
内径φ２５４ｍｍ、高さ３６０ｍｍ
（４）減圧能力（実測による）
３０秒後→約４（Ｔｏｒｒ）、６０秒後→約０．２（Ｔｏｒｒ）→１２０秒後→約０．１（Ｔｏｒｒ）
（５）耐真空試験方法
試験供試体（Ａ１，Ａ２，Ａ３）を真空容器に入れ、ヘリウムリークディテクターの真空ポンプを作動させ、減圧と加圧を行う。
【００１９】
ａ．試験プログラム（図４のグラフ参照）
１２０秒間減圧し、１８０秒間加圧する。加圧時間を減圧時間より６０秒多くとり、ハニカムコアの空洞部内の真空度を完全に大気圧に戻す。これを１サイクルとし、２０回繰り返す。
【００２０】
ｂ．試験供試体数
３ＥＡ（Ａ１，Ａ２，Ａ３）
（６）試験後のパネル観察
ＣＦＲＰからなる表面層及び裏面層とハニカムコアとの接着部に剥離が起こったか否かを外観の変化、タッピングハンマーの打音により観察し、耐真空試験を行わないハニカムサンドイッチパネルと比較する。
【００２１】
［ドラムピール試験によるピール強度比較］
（１）試験機
インストロン４２０６型万能材料試験機
ロードセル：０．５ｔｏｎ容量
ロードレンジ：５％
（２）試験治具
ドラムピール試験治具
（３）ドラムピール試験方法
耐真空試験を実施したハニカムサンドイッチパネル（Ａ１，Ａ２，Ａ３）と実施しないハニカムサンドイッチパネル（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）の計６ＥＡについてドラムピール試験を行い、ピール強度により耐真空試験でＣＦＲＰとハニカムコアとの接着部の剥離が起こったか否かを比較検討する。
【００２２】
［通気性確認試験］
（１）真空ポンプ：ＦＴ３−２００Ｎ、株式会社アンレット製
（２）圧力計：ブルトン管方式 精度１．５級、管理番号Ｖ−５３ 第一計器製
（３）試験方法
図５に示すように、表面板も裏面板も各２−２ｐｌｙづつ積層したハニカムサンドイッチパネル（１８０×１８０ｍｍ、コアの厚み約１２，７ｍｍ）ａの表面と裏面にバギングフィルムｂ，ｃをシリコンシーラントなどを用いて施し、表側を真空引きする。そのときの裏側真空度を圧力計ｄによって計測し、ＣＦＲＰ ２ｐｌｙの通気性の有無を確認する。このとき裏面側圧力の減少過程は、ハニカムコア内部の圧力の減少を反映していると考えられる。
【００２３】
［試験結果］
（１）耐真空試験後のパネルの観察
表１に示すように、ハニカムサンドイッチパネル（Ａ１，Ａ２，Ａ３）のいずれにおいても、外観及びタッピングハンマー打音の異常が無いことが分かった。
【００２４】
【表１】

【００２５】
（２）ドラムピール試験結果比較
図６のグラフに示すように、耐真空試験を実施したハニカムサンドイッチパネル（Ａ１，Ａ２，Ａ３）と実施しないハニカムサンドイッチパネル（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）は、ピール強度（ｋｇｆ）にほとんど差が無いことが分かった。
【００２６】
（３）通気性確認試験結果
図７のグラフは、通気性確認試験（減圧）であり、図８のグラフは、通気性確認試験（加圧）である。
【００２７】
前述したように、ハニカムサンドイッチパネルについて、耐真空試験を実施し、ＣＦＲＰとハニカムコアとの接着部における剥離が起こるか否かをドラムピール試験と通気性確認試験を行ったところ、ドラムピール試験の結果、ピール強度は耐真空試験を実施したパネルと実施しないパネルとも略同じ値が得られた。従って、耐真空試験プログラム条件の圧力変化では、ＣＦＲＰとハニカムコアとの接着部に剥離が起こらないことが分かった。
【００２８】
また、通気性確認試験の結果、間違いなくＣＦＲＰ ２ｐｌｙには通気性が認められる。さらに、接着剥離音も発生せず、よってハニカムコアの空洞部内の空気は外気圧変化に対してＣＦＲＰ ２ｐｌｙを通し、外部に移動するものである。
【００２９】
以上の実験結果から、フェノール樹脂をマトリックスとして用いた繊維強化プラスチックの通気性によってハニカムサンドイッチパネルが真空域でも使用可能となることが確認できた。しかも、従来のようにハニカムコアに通気孔を開ける後加工が不要となるため、工数の低減が図られ、コストダウンを図ることができる。また、ハニカムサンドイッチパネルは、航空宇宙分野の構成部品に適しているが、他のあらゆる分野にも使用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ハニカムコアの上下面にサンドイッチ状に表面層及び裏面層を設けたハニカムサンドイッチパネルにおいて、前記表面層、裏面層の両方または片方をフェノール樹脂をマトリックスとして用いた繊維強化プラスチックによって形成したことを特徴とする。従って、表面層及び裏面層に通気性が得られ、ハニカムコアの側面に通気孔を設ける面倒な加工を行うことなく、耐真空性が得られ、宇宙環境に代表されるような耐久性が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示すハニカムサンドイッチパネルの縦断側面図。
【図２】同実施形態のハニカムサンドイッチパネルの表面層の一部を切欠した平面図。
【図３】供試体の平面図及び側面図。
【図４】耐真空試験のグラフ図。
【図５】通気性確認試験の構成図。
【図６】ピール強度比較のグラフ図。
【図７】通気性確認試験（減圧）のグラフ図。
【図８】通気性確認試験（加圧）のグラフ図。
【符号の説明】
１１…ハニカムサンドイッチパネル
１２…ハニカムコア
１３…表面層
１４…裏面層

Claims (3)

1. ハニカムコアの上下面にサンドイッチ状に表面層および裏面層を設けた宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネルにおいて、
   前記表面層、裏面層の両方または片方を、フェノール樹脂をマトリックスとして用いたプリプレグをオートクレーブ法により硬化、成形して、多孔質で通気性を有する繊維強化プラスチックとするとともにハニカムコアと融着して、ハニカムコアの空洞部と外部とを通気するようにしたことを特徴とする宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル。
2. 前記繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチックである請求項１記載の宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル。
3. 前記繊維強化プラスチックは、表面層および裏面層の両方とも２層に積層したものである請求項１記載の宇宙環境で使用されるハニカムサンドイッチパネル。

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