JPH04372628A - 地球低軌道飛行体の構造用樹脂系部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特に宇宙空間におい
て曝露状態で使用される構造物や部品の素材として利用
するのに適した宇宙空間用樹脂系部材に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、宇宙飛行体の外部には金属材料を
用いるのが一般的であったが、１９９８年２月に、国際
的なプロジェクトとして宇宙ステーションを打ち上げよ
うとの計画が進められ、従来にない多くの新しい技術が
要求されている。

【０００３】それらのうちの一つに、構造物があり、従
来と異なって宇宙ステーションの場合、スペースシャト
ルなどにより部品レベルで何回かに分けて打ち上げ、宇
宙空間において組み立てていく予定であり、あらゆる部
位，部品が可能な限りよりコンパクトでかつ軽量である
ことが要求されている。

【０００４】このような理由から、宇宙空間で使用され
る構造物およびその素材もコンパクトでかつ軽量である
ことが要求されており、樹脂系複合材料を採用しようと
いう計画が増加している。

【０００５】例えば、図９は、１９９８年に打ち上げが
予定されている宇宙ステーションの全体概要図であり、
中央に延びるトラス１１，太陽電池パドル１２，カナダ
のモジュール１３，ヨーロッパのモジュール１４，日本
の実験モジュール１５，アメリカのモジュール１６，付
設のペイロード１７，電力系ラジエータ１８などから構
成されるものとなっている。

【０００６】また、図１０はその中の日本の実験モジュ
ール（ＪＥＭ）の概要図であって、与圧部２１，補給部
与圧区２２，マニピュレータ２３，曝露部２４，補給部
曝露区２５などから構成されるものとなっている。

【０００７】そして、図９におけるトラス１１や図１０
における補給部曝露区２５の床２６などには炭素繊維強
化樹脂（ＣＦＲＰ）よりなる有機系材料を用いる計画と
なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように地上１０００ｋｍ以上の高高度を飛行していた通
信衛星などと異なり、宇宙ステーションにあっては、地
上３００〜５００ｋｍの地球低軌道環境を飛行するため
、図１１に参考として示した地上高と残存雰囲気ガス量
との関係を示したグラフからわかるように、この地上高
における環境下で最も多く存在する原子状酸素の衝突お
よび衝突時のエネルギによる酸化反応の発生のため、宇
宙ステーション表面の曝露部分に使用されている有機系
材料は劣化ないしは損傷が激しいという問題点があった
（例えば、ＡＩＡＡ　　ｐａｐｅｒ８５−１０６６，Ｎ
ＡＳＡ　　Ｔｅｃｈ　　Ｍｅｍｏ　　１０６８１，ＡＩ
ＡＡｐａｐｅｒ　　８７−０１０５．ＡＩＡＡ　　ｐａ
ｐｅｒ　　９０−０７２７など）。

【０００９】上記文献のうちＡＩＡＡ　　ｐａｐｅｒ　
　９０−０７２７では、炭素繊維／炭素複合材料（Ｃ／
Ｃ材）の場合については、ＳｉＣ被覆が耐原子状酸素対
策として有効であることを示しているが、このようなＳ
ｉＣ被覆処理はＣＶＤ法によって行うため、ＦＲＰのよ
うな軟化点の低い部材には適用することができず、現状
においてはＦＲＰに適した耐原子状酸素対策被覆法は、
見いだされていないことから、ＦＲＰを基材とした耐原
子状酸素材料の開発が望まれているという課題があった
。

【００１０】

【発明の目的】この発明は、このような従来の課題にか
んがみてなされたもので、有機系材料である樹脂材ない
しは樹脂系複合材よりなる基材の表面に前記樹脂製基材
の耐え得る低温域での被覆が可能である被覆を施すこと
により原子状酸素の衝突による有機系材料の劣化ないし
は損傷を防止することによって、上記課題を解決するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる宇宙空
間用樹脂系部材は、樹脂材ないしは樹脂系複合材よりな
る基材の表面に無機系酸化物被覆を施した構成としたこ
とを特徴としており、このような宇宙空間用樹脂系部材
に係わる発明の構成をもって前述した従来の課題を解決
するための手段としている。

【００１２】本発明者らは、上記した目的を達成するた
めに種々の実験研究を行った結果、樹脂製基材の表面に
、この樹脂製基材の耐え得る低温域での被覆が可能であ
る無機系酸化物の被覆を施すことにより、原子状酸素に
対する抵抗性の優れた宇宙空間用樹脂系部材にできるこ
とを見い出した。

【００１３】図１は、この発明に係わる宇宙空間用樹脂
系部材の断面構造を示す模型的説明図であって、この宇
宙空間用樹脂系部材１は、樹脂材ないしは樹脂系複合材
よりなる基材２の表面に、無機系酸化物被覆３を施した
構成をなすものである。

【００１４】このような宇宙空間用樹脂系部材１におい
て、基材２を構成する樹脂部材としては、エポキシ樹脂
、フェノール樹脂，ポリイミド（商品名；カプトン等）
などが使用される。

【００１５】また、同じく基材２を構成する樹脂系複合
材としては、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）が使用され、強化
用繊維としては炭素（カーボン，グラファイト）繊維（
商品名；トレカ等），芳香族ポリアミド繊維（商品名；
アラミド，ケブラー等），ボロン繊維，炭化けい素繊維
（商品名；ニカロン等）などが使用される。

【００１６】さらに、前記基材の表面に施す無機系酸化
物被覆としては、水可溶性のアルカリシリケートを焼成
した酸化物よりなるものを用いることが可能であり、こ
のような水可溶性のアルカリシリケートを焼成した被覆
を施すことによって基材表面にＳｉＯ２　を主成分とす
る酸化物被膜が形成されることとなるので、原子状酸素
に対する抵抗の大きい耐候性に優れた宇宙空間用樹脂系
部材となり、５００℃程度までならば耐熱性にも優れた
ものとなる。

【００１７】また、水可溶性のアルカリシリケートを用
いる場合には、水溶性であることから顔料などを添加し
たのち塗布することも容易であるので、宇宙ステーショ
ンの外観の塗料を兼ねたものとすることも可能である。

【００１８】

【発明の作用】この発明に係わる宇宙空間用樹脂系部材
は、上記した構成をなすものとなっているので、基材が
有機系の樹脂材ないしは樹脂系複合材よりなるものであ
るとしても、その表面に無機系酸化物被覆が施されてい
ることにより、原子状酸素の衝突があるとしても有機系
基材の劣化ないしは損傷が防止されるものとなって、宇
宙空間での長期間の使用に耐え得るものとなる。

【００１９】

【実施例】樹脂材ないしは樹脂系複合材よりなる基材と
して、表１のＮｏ．５に示した高強度グラファイト繊維
＋エポキシ系樹脂（Ｔ３００／５２０８）よりなる樹脂
系複合材と、同じく表１のＮｏ．１に示したポリイミド
（ｋａｐｔｏｎ；商品名）よりなる樹脂材とを選んだ。

【００２０】まず、上記二種類の基材の表面をガスバー
ナーによって粗面化したのち、水可溶性のアルカリシリ
ケート（Ｎａ２　Ｏ・ｍＳｉＯ２　・ｎＨ２　Ｏ）を塗
布し、１８０℃にて焼成することによって本発明実施例
による宇宙空間用樹脂系部材を得た。

【００２１】上記焼成によって得られた樹脂系部材の表
面に施された無機系酸化物被覆の厚さは２μｍであり、
Ｘ線回折によって表面被覆を分析したところ、その主成
分は、ＳｉＯ２　系の無機質酸化物であった。

【００２２】次いで、上記２種類の供試材を１０×４０
ｍｍの大きさに切断したあと、そのうちの半分をアルミ
ニウム箔によりシーリングして照射の影響を受けない部
分を確保し、次いで、ＣＯ２　レーザーを用いた原子状
酸素照射装置によって表２に示した条件で原子状酸素の
照射を行った。なお、表２に示した照射速度は、宇宙空
間での原子状酸素の衝突速度に合わせて８ｋｍ／ｓｅｃ
にしている。

【００２３】この結果、得られた表面の粒子構造を図２
に示す。

【００２４】図２は表１のＮｏ．５に示した樹脂系複合
材を基材とする樹脂系部材の表面観察結果を示すもので
あるが、表１のＮｏ．１に示した樹脂材を基材とする樹
脂系部材の表面観察結果も表面被覆が同じものであるた
め図２に示す場合と同じであった。

【００２５】図２に示すように、原子状酸素を照射した
部分の粒子構造とこれを照射しない部分の粒子構造とは
同じであり、原子状酸素の照射による損傷はほとんど認
められなかった。

【００２６】

【比較例】宇宙空間用樹脂系部材として、表１に示すＮ
ｏ．１の樹脂材および表１に示すＮｏ．２〜５の樹脂系
複合材よりなるものを選んだ。

【００２７】そして、上記５種類の供試材を１０×４０
ｍｍの大きさに切断したあと、そのうちの半分をアルミ
ニウム箔でシーリングして照射の影響を受けない部分を
確保し、次いで、ＣＯ２　レーザーを用いた原子状酸素
照射装置によって表２に示した条件で原子状酸素の照射
を行った。

【００２８】この結果、得られた表面の粒子構造を表１
のＮｏ．１〜Ｎｏ．５の各樹脂系部材に対応して各々図
３〜図７に示す。

【００２９】図３〜図７に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ
．５の樹脂系部材はいずれも原子状酸素の照射によって
表面部分が大きな損傷を受けており、樹脂の材質を選定
することによって原子状酸素による損傷を少なくするこ
とは不可能であった。

【００３０】図８は、図４に示した原子状酸素を照射し
た部分とアルミニウム箔のシーリングにより照射しない
こととした部分とにおける表面粗さの違いを測定した結
果を示すものである。

【００３１】図８より明らかなように、原子状酸素の照
射による損傷は、３μｍ程度の深さに及んでいることが
わかる。また、他の供試材の損傷深さもほぼ同程度であ
った。

【００３２】したがって、樹脂材ないしは樹脂系複合材
よりなるいずれの樹脂系部材においても、そのままでは
原子状酸素による影響を無視できないものであることが
認められた。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】この発明に係わる宇宙空間用樹脂系部材
は、樹脂材ないしは樹脂系複合材よりなる基材の表面に
無機系酸化物被覆を施した構成となっているので、従来
の樹脂材ないしは樹脂系複合材の無処理品のように原子
状酸素の衝突および衝突時のエネルギによる酸化反応に
よって劣化ないしは損傷を生じるようなことがなくなり
、原子状酸素の影響の強い地球低軌道環境を飛行する宇
宙ステーションの曝露部分に用いたときでも、原子状酸
素との衝突による劣化ないしは損傷を生じない宇宙空間
用構造部材ならびに宇宙空間用樹脂部材を提供すること
ができるようになるという著しく優れた効果がもたらさ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わる宇宙空間用樹脂系部材の断面
構造を示す模型的説明図である。

【図２】この発明の実施例において表１のＮｏ．５の基
材を用いた宇宙空間用樹脂系部材について原子状酸素の
照射による影響を調べた際の表面部分の粒子構造を示す
走査型電子顕微鏡写真である。

【図３】この発明の比較例において表１のＮｏ．１の樹
脂材について原子状酸素の衝突による影響を調べた際の
表面部分の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である
。

【図４】この発明の比較例において表１のＮｏ．２の樹
脂系複合材について原子状酸素の衝突による影響を調べ
た際の表面部分の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真
である。

【図５】この発明の比較例において表１のＮｏ．３の樹
脂系複合材について原子状酸素の衝突による影響を調べ
た際の表面部分の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真
である。

【図６】この発明の比較例において表１のＮｏ．４の樹
脂系複合材について原子状酸素の衝突による影響を調べ
た際の表面の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。

【図７】この発明の比較例において表１のＮｏ．５の樹
脂系複合材について原子状酸素の衝突による影響を調べ
た際の表面の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真であ
る。

【図８】この発明の比較例において表１のＮｏ．２の樹
脂系複合材について原子状酸化物の衝突による影響を調
べた際の表面部分の粗さを示すグラフである。

【図９】１９９６年に打ち上げが予定されている宇宙ス
テーションの全体概要図である。

【図１０】図９の中の日本の実験モジュールを拡大して
示す全体概要図である。

【図１１】地上高と残存雰囲気ガス量との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１　　宇宙空間用樹脂系部材 ２　　樹脂材ないしは樹脂系複合材よりなる基材３　　
無機系酸化物被覆

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　樹脂材ないしは樹脂系複合材よりなる
   基材の表面に無機系酸化物被覆を施したことを特徴とす
   る宇宙空間用樹脂系部材。
2. 【請求項２】　　無機系酸化物被覆が水可溶性のアルカ
   リシリケートを焼成したＳｉＯ２　系酸化物を主成分と
   するものである請求項１に記載の宇宙空間用樹脂系部材
   。