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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-06
(54)【発明の名称】光学測定を伴うアブレーションセンサー
(51)【国際特許分類】
G01N 21/71 20060101AFI20240228BHJP
【ＦＩ】
G01N21/71
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023555550
(86)(22)【出願日】2022-03-03
(85)【翻訳文提出日】2023-11-07
(86)【国際出願番号】 US2022018640
(87)【国際公開番号】W WO2022192061
(87)【国際公開日】2022-09-15
(31)【優先権主張番号】17/199,604
(32)【優先日】2021-03-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】503455363
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】フレイジャー，ゲーリー エイ．
(72)【発明者】
【氏名】クーガン，ジョン ジェイ．
【テーマコード（参考）】
2G043
【Ｆターム（参考）】
2G043AA03
2G043CA07
2G043EA10
2G043FA06
2G043JA01
(57)【要約】
リアルタイムアブレーションセンサーが、分光計または放射計などの光検出器を使用して、たとえば、設計材料であり得る材料のアブレーションを示す信号を検出することによって、材料のアブレーションを検出する。光検出器は、アブレーションされている材料、またはアブレーションされている材料の付近などにおけるアブレーションの生成物のいずれかからの反射光を検出し得る。光源を使用して、材料及び／またはアブレーション生成物によって反射される光を与えてもよく、反射光は検出器によって受け取られる。光は、選択された１つ以上の波長のものとすることができ、この選択は、アブレーションされることになる材料の選択／構成、及び／または光検出器の選択／構成と組み合わせて行われる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アブレーションを受ける材料と、前記材料に動作可能に結合された光検出器であって、前記材料のアブレーションを検出するように構成されている検出器と、
を含むアブレーションセンサー。
【請求項2】
アブレーションを受ける前記材料に向けられた光源であって、前記アブレーションが起こる前記材料の表面とは、前記材料の反対側にある光源、をさらに含む請求項１に記載のアブレーションセンサー。
【請求項3】
前記光源は、複数の波長を送信する広帯域光源である、請求項２に記載のアブレーションセンサー。
【請求項4】
前記光源は平行光源である、請求項２または３に記載のアブレーションセンサー。
【請求項5】
前記材料は異なる材料の交互層を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項6】
前記材料は基板上のコーティングを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項7】
前記コーティングは異なる材料の複数の層を含む、請求項６に記載のアブレーションセンサー。
【請求項8】
前記材料は、互いに異なる材料を含む複数の部分を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項9】
前記材料はインジケーター層を含み、前記インジケーター層に到達したアブレーションが前記光検出器によって検出される、請求項１乃至７のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項10】
前記光検出器は、アブレーションを受ける前記材料から反射した光信号を検出する、請求項１乃至９のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項11】
前記材料の厚さが減少するにつれて前記材料のスペクトル反射率が変化する、請求項１０に記載のアブレーションセンサー。
【請求項12】
アブレーションされる前記材料のアブレーションが、アブレーションされる前記材料の光回折を変化させる、請求項１乃至１１のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項13】
前記光検出器は、アブレーションを受ける前記材料によって放出されるアブレーション生成物からの光信号を検出する、請求項１乃至１２のいずれかに記載のアブレーションセンサー。
【請求項14】
アブレーションをモニタリングする方法であって、アブレーションされる材料に光源からの光を向けることと、
前記光を反射して反射光を生成することと、
光検出器において前記反射光を測定することと、
前記光検出器によって受け取られた前記反射光から前記材料のアブレーションを判定することと、
を含む方法。
【請求項15】
前記反射は、アブレーションされる前記材料において起こる、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記反射は、少なくとも部分的に、アブレーションされる前記材料のアブレーションによって生成されたアブレーション生成物において起こる、請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
前記光検出器はスペクトル分析器であり、前記反射光の反射スペクトルを使用して、アブレーションされる前記材料の厚さを決定する、
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項18】
前記材料はインジケーター層を含み、前記アブレーションを判定することは、前記インジケーター層のアブレーションが起こったときを検出することを含む、
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項19】
前記モニタリングはリアルタイムで行う、請求項１４乃至１８のいずれかに記載の方法。
【請求項20】
前記光検出器によって受け取られた前記反射光の変化に基づいて外部イベントをトリガーすること、をさらに含む請求項１４乃至１９のいずれかに記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アブレーション及び摩耗に対する測定装置の分野にある。
【背景技術】
【0002】
極超音速流は過酷な環境であり、光学窓及び光学窓用のコーティングに損傷を与える可能性があるものである。損傷は、侵食またはアブレーションなどによる機械的、化学的（極超音速ビークルを過ぎて窓に入射する流れのイオン化による）、及び／または熱的（高熱に由来）であり得る。
【0003】
このようなアブレーション環境及び他のアブレーション環境では、通常アブレーションをモニタリング及び／または測定する必要がある。
【発明の概要】
【0004】
アブレーションセンサーは反射光を使用してアブレーションをモニタリングする。
【0005】
本発明の一態様によれば、アブレーションセンサーは、アブレーションを受ける材料と、材料に動作可能に結合された光検出器であって、材料のアブレーションを検出するように構成されている光検出器と、を含む。
【0006】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、アブレーションされる材料は設計（engineered）材料とし得る。
【0007】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、アブレーションされる材料は、アブレーションに対する予測可能なまたはそれ以外で望ましい応答を提供するように選択された材料とし得る。
【0008】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、センサーは、アブレーションを受ける材料に向けられた光源をさらに含む。
【0009】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光源は、複数の波長を送信する広帯域光源である。
【0010】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光源は平行光源である。
【0011】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料は異なる材料の交互層を含む。
【0012】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料は基板上のコーティングを含む。
【0013】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、コーティングは、異なる材料の複数の層を含む。
【0014】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料は、異なる材料の複数の部分を含む。
【0015】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料はインジケーター層を含み、インジケーター層に到達したアブレーションが光検出器によって検出される。
【0016】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光検出器は、アブレーションを受ける材料から反射した光信号を検出する。
【0017】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料の厚さが減少するにつれて、材料のスペクトル反射率が変化する。
【0018】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光検出器はスペクトル分析器を含む。
【0019】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、アブレーションされる材料のアブレーションが、アブレーションされる材料の光回折を変化させる。
【0020】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光検出器は、アブレーションを受ける材料によって放出されるアブレーション生成物からの光信号を検出する。
【0021】
本発明の別の一態様によれば、アブレーションをモニタリングする方法は、アブレーションされる材料に光源からの光を向けるステップと、光を反射して反射光を生成するステップと、光検出器において反射光を測定するステップと、光検出器が受け取った反射光から材料のアブレーションを判定するステップとを含む。
【0022】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、反射は、アブレーションされる材料において起こる。
【0023】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、反射は、少なくとも部分的に、アブレーションされる材料のアブレーションによって生成されたアブレーション生成物において起こる。
【0024】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、光検出システムは光学スペクトル分析器である。
【0025】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、反射光の反射スペクトルを使用して、アブレーションされる材料の厚さを決定する。
【0026】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、材料はインジケーター層を含む。
【0027】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、アブレーションの判定は、インジケーター層への到着またはインジケーター層のアブレーションが起こったときを検出することを含む。
【0028】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、モニタリングはリアルタイムで行う。
【0029】
この概要の任意の段落（複数可）の実施形態によれば、本方法は、光検出器が受け取った反射光の変化に基づいて外部イベントをトリガーすることをさらに含む。
【0030】
前述の及び関連する目的を達成するために、本発明は、以下に十分に記載され、特に特許請求の範囲において指摘される特徴を含む。以下の説明及び添付図面では、本発明の特定の例示的な実施形態を詳細に述べる。しかし、これらの実施形態は、本発明の原理を使用し得る様々な方法のうちのほんの少しである。本発明の他の目的、利点、及び新規特徴は、本発明の以下の詳細な説明を図面と関連して考慮することから、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
添付図面は、必ずしも一定の比率ではないが、種々の本発明の態様を示すものである。
【0032】
【図1】本発明の実施形態による、アブレーションセンサーの側面図である。
【図2】本発明の別の実施形態による、アブレーションセンサー用の材料の斜視図である。
【図7】本発明のさらなる他の実施形態による、アブレーションセンサー用の材料の平面図である。
【図10】本発明のさらに別の実施形態による、アブレーションセンサーの概略図である。
【図12】アブレーション量が小さい材料からの反射光に対する強度対波長のプロットである。
【図14】アブレーション量が小さい材料からの反射光に対する強度対波長のプロットである。
【図16】本発明のさらなる実施形態による、アブレーションセンサーを備えたスクラムジェットエンジンの側面図である。
【図17】本発明のさらに他の実施形態による、アブレーションセンサーを組み込んだ極超音速風洞の切り欠き図である。
【図18】本発明の実施形態による、方法の高レベルのフローチャートである。
【図19】本発明の別の実施形態による、アブレーションされることになる材料の概略側面図である。
【図21】本発明のさらに別の実施形態による、アブレーションされることになる材料の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
リアルタイムアブレーションセンサーは、分光計または放射計などの光検出器を使用して、材料のアブレーションの検出を、たとえば設計材料であり得る材料のアブレーションを示す信号を検出することによって行う。光検出器は、アブレーションされている材料、またはアブレーションされている材料の付近などにおけるアブレーションの生成物のいずれかからの反射光を検出し得る。光源を使用して、材料及び／またはアブレーション生成物によって反射される光を与えてもよく、反射光は検出器によって受け取られる。光は、選択された１つ以上の波長のものとすることができ、該選択は、アブレーションされることになる材料の選択／構成、及び／または光検出器の選択／構成と組み合わせて行われる。
【0034】
図１に、アブレーションされることになる材料１２を含むアブレーションセンサー１０と、好適な光１６を材料１２に向ける光源１４とを示す。光１６は、材料１２から、及び／または材料１２によって生成されるアブレーション生成物から反射する。反射光１６は光検出器２０によって受け取られる。受け取った光の変化は、材料１２中で起こっているかまたは材料１２中で起こったアブレーションの量の尺度をもたらし得る。これらの変化は、光検出器２０に結合されたプロセッサ２２を使用して捕らえられ得る。用語「光検出器」は、本明細書で使用する場合、可視光、赤外線、及び紫外線の両方を含む広範囲の周波数のいずれかにおける光及び／または信号に対して動作する検出器を広くカバーすることが意図されている。プロセッサ２２は、材料１２のアブレーションをリアルタイムで判定するための好適な計算を行ってもよく、それが記録及び／または通信され得る。プロセッサ２２及びその機能は、（たとえば）汎用コンピューティングデバイス、集積回路などのソフトウェア及び／またはハードウェアを含む種々の形態のいずれにおいて具体化してもよい。
【0035】
光源１４及び光検出器２０は材料１２の同じ側とし得る。たとえば、光源１４及び検出器２０は両方とも、材料１２の一方の面が暴露されるアブレーション環境２４の反対側にあり得る。他の構成も可能であるが、光源１４及び光検出器２０がアブレーション環境２４に暴露されることは避けることが望ましい。
【0036】
材料１２は種々の構成のうちのいずれを有していてもよく、そのいくつかを以下に説明する特定の実施形態において示す。材料１２は、異なる層、たとえば、異なる光学特性を伴う交互層を有していてもよいし、または材料１２の他の層とは組成及び／もしくは構成が異なる１つ以上のトリガー層もしくはインジケーター層を有していてもよい。加えて、材料１２の異なる部分が異なる組成を有して、たとえばアブレーションに対して異なる感度を有し、及び／または異なる周波数の光に応答してもよい。
【0037】
材料１２は、センサーにおいて使用する選択された設計材料とし得る。すなわち、材料１２は、アブレーションに対する耐性のためではなく（または単にためではなく）、その代わりに（またはそれに加えて）アブレーションされている間の予測可能な性能または他の点で望ましい性能のために、選択／構成され得る。その予測可能な性能には、内部反射に対する特徴付けられた値が含まれ得る。それは、材料のバルク特性、層材料の変化（意図的に配置された不連続または層化）により得る。
【0038】
材料１２は、種々の機能のうちのいずれを含んでいてもよく、そのうちのいくつかについて以下に詳細に説明する。材料１２は、航空宇宙ビークルの誘導などのために光学センサーによって当該窓を通して観察できるようにするためなどの光学窓であってもよい。センサー１２は、種々の光学センサーのうちのいずれであってもよい。用語「光学センサー」は、本明細書で使用する場合、可視光、赤外線、及び紫外線の両方を含む広範囲の周波数のいずれかにおける光及び／または信号に対して動作するセンサーを広くカバーすることが意図されている。
【0039】
別の代替案として、材料１２は、たとえば摩耗センサーとして、アブレーションを測定するために特に使用されるセンサーの一部であってもよい。材料１２は、アブレーション環境２４に暴露される窓または他の表面のアブレーションを示すように較正され得る。
【0040】
材料１２は、アブレーション環境２４に暴露される基板の側にコーティング２８が施された基板２６を含んでいてもよい。基板２６は、コーティング２８より厚いことができ、コーティング２８内でアブレーションが起こっているときにコーティング２８に対する支持を与えるためだけに機能してもよい。コーティング２８は単一材料であってもよいし、たとえば異なる材料の複数の層などの複数の材料を含んでいてもよい。
【0041】
材料１２は、いくつかの要素の組み合わせのうちのいずれかを考慮して選択／構成され得る。たとえば、材料１２は、光学コーティングを有し得るが、該コーティングは、腐食／侵食を最小限にする役割を果たすのではなく、腐食／侵食を診断するために最適化され得る。コーティングは、一貫した光学特性を提供するように構成されなくてもよく、代わりに、信号を測定／解釈することを特に容易にしたり、特定の侵食プロセスに対して既知のように反応したりするように構成されや基準の層を含むことができる。コーティングは、大気圏外、大気圏、または地上環境（または他のアブレーション環境）への長期暴露に耐えるように構成されなくてもよく、代わりに、一例としては、宇宙空間から地球への（そして戻る）、またはより広範囲には特定のアブレーション環境への暴露への移行中に起こる一時的な損傷をモニタリングするように構成されてもよい。
【0042】
多くの材料が、アブレーションセンサー層として機能することができる。たとえば、ダイヤモンド様のコーティングは、高温酸素への暴露に非常に敏感である。励起された中性酸素、原子状酸素、及びイオン化酸素はすべて、ダイヤモンドコーティングと強く反応する酸素の種類である。反応によって、ダイヤモンド材料が蒸発されるとともに一酸化炭素及び二酸化炭素が生成される。したがって、ダイヤモンド層は暴露時間とともに侵食され、その厚さを時間とともに測定することによって、アブレーションの程度が直接測定され、環境中の活性酸素のレベルが間接的に測定される。酸化マグネシウムなどの他の材料は、水への暴露に敏感である。熱水蒸気は、酸化マグネシウムと反応して、時間とともにその表面をアブレーションする。ポリエチレンなどのポリマーも同様に、液体及び蒸気の形態の溶媒に非常に敏感である。連続的に暴露されるとポリマー材料が溶解する可能性があり、この材料の損失は、各ポリマーに固有のポリマーの光学特性または他の特性を測定することによって検出できる。
【0043】
材料１２に対する非限定的な材料例としては、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ダイヤモンド、サファイア、及びＤｙ２Ｏ３が挙げられる。
【0044】
アブレーション環境２４は、材料のアブレーションを引き起こす傾向がある種々の環境のうちのいずれかであってもよい。アブレーション環境の１つの特定のタイプには、材料１２を過ぎる高温ガスの流れ、及び／または高速でのガスの流れが含まれる。そのような状況は、極超音速飛行ビークル、たとえば、またはジェットエンジンまたはロケットモータ内で起こり得る。そのような飛行ビークルは、航空機及び／または宇宙船（または大気及び宇宙の両方において動作するように構成されたビークル）を含み得る。そのようなビークルの非限定的な例は、極超音速飛行機、スペースプレーン、及び衛星を含む。極超音速ビークルの周りの流れは、流れにイオン化粒子が含まれる程度まで加熱された大気ガスを含み得る。イオン化粒子は、ビークルの表面材料と相互作用して、たとえば、ビークル表面上の材料を侵食及び／またはアブレーションし得る。
【0045】
光源１４は平行光源であってもよい。光源１４は、材料１２のアブレーションまたは材料１２からのアブレーションの検出に適した１つ以上の波長の光を生成し得る。光源１４は広帯域光源であってもよい。光源１４は、材料１２との適合性に対して構成／選択してもよい。光源１４の特性は、いくつかの非限定的な例を挙げると、プラットフォームの要件（振動、サイズ、及び／または重量）、またはモニタリングされているプロセスの時間スケールに基づいて選択してもよい。
【0046】
図２は、埋め込まれたインジケーター層（基準の層）４４を有する、摩耗またはアブレーションセンサー用の材料４２を示しており、インジケーター層４４は、インジケーター層４４の上下の層４６及び４８とは異なる組成のものである。インジケーター層４４は均一な組成であってもよいし、または代替的に、それ自体が複数の積み重ねられた層で形成され、この積層はアブレーションの方向に行われ得る。摩耗センサー４０は、アブレーションセンサー１０（図１）の一部である材料１２（図１）の例である。インジケーター層４４の上下の層４６及び４８は、それ自体が均一な組成の単一材料であってもよいし、または異なる材料の交互層を含んでいてもよい。インジケーター層４４の材料（複数可）は、アブレーションが層４４に到達したという明確な信号（信号対雑音比が高いなど）を与えるように選択されることができ、アブレーションが材料内の所定のレベルに到達したという明確なインジケーターとして機能する。
【0047】
加えて、図３～６を参照して、光検出器（図１に示す光検出器２０など）によって受け取られる光出力である。図３に、比較的わずかなアブレーションが起こったときの材料４２の比較的無傷のセンサー状態を示す。アブレーションの方向は、図３及び５の参照番号５２によって示す。図４に、この状況で検出器２０において受け取られる光信号を定性的に示す。光出力は、所定の波長においてスパイク５６を含み、反射光信号は、インジケーター層４４の存在によって影響を受ける。
【0048】
図５及び６に、上部の材料層４６及びインジケーター層４４がアブレーション除去される程度まで、さらにアブレーションが起こった状況を示す。図６では、出力スパイク５６（図４）がもはや存在せず、出力波長はより均一である。スパイク５６が存在しないことは、インジケーター層４４の少なくとも一部が除去される程度までアブレーションが到達したというインジケーターとして機能する。これによって、種々の目的のいずれかに対して使用できるアブレーションの量のバイナリーインジケーターが得られる。インジケーターは、たとえば、可能な故障状況の出現、部品の交換の必要性を示すため、及び／または動作パラメータの変更に対するインジケーターとして使用することができる。
【0049】
図４及び６は、特定の時間における応答を波長の関数として示す。これと同じデータを時間の関数として見ると、アブレーションの程度を示す信号は、図４における信号が最小の波長において最も明確である。時間とともに波長をモニタリングすると、基準の層が除去される程度まで材料がアブレーションされたときに、明確で高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の表示が生成される。複数の基準の層が使用される場合、システムはアブレーションの程度の複数の高いＳ／Ｎのインジケーターを提供する。
【0050】
図７及び８に、別の実施形態である、アブレーションされることになる複数部分の材料１１２を含むアブレーションセンサー１１０を示す。例示した実施形態における材料１１２は、円板状の材料の異なる部分として例示された３つの部分１１４、１１６、及び１１８を含む。材料部分１１４～１１８は、それらの材料の少なくとも一部において、互いに異なる材料組成を有し得る。より多数又は少数の異なる材料の部分を、代わりに使用してもよい。
【0051】
部分１１４、１１６、及び１１８は、アブレーション環境１２４への暴露に由来するアブレーションに対して異なる感度を有し得る。これにより、アブレーションのより広範囲の判定、及び／またはアブレーションの量のより正確な決定が可能になり得る。また、通常、異なる材料はアブレーションの受け方が異なるため、複数の材料部分１１４～１１８を使用することによって、アブレーションの異なるメカニズムまたはプロセスの影響を決定することが可能になり得る。アブレーションプロセス例は、様々な種類のイオンによる、原子状酸素の存在による、水酸化物（ＯＨ）の存在による、及び窒素イオンの存在によるアブレーションであってもよい。異なる大気組成及び／または条件を通過すると、異なる種類のアブレーションになり得ることを理解されたい。
【0052】
異なる部分１１４～１１８に対する材料は、異なる波長の光に敏感であってもよい。したがって光源１２６は、異なる材料部分１１４、１１６、及び１１８と相互作用するように構成された光を放射する異なる光１３４、１３６、及び１３８を含んでいてもよい。光１３４～１３８に対する波長（または波長範囲）は、部分１１４～１１８の異なる材料との互換性に対して選択してもよい。その代わりにまたはそれに加えて、異なる波長の光１３４～１３８は、材料部分１１４～１１８から反射光を受け取る分光計または放射計などの光検出器１４０における識別を助けるように選択してもよい。光検出器１４０は、光検出器１４０で受け取った光を解釈し、特徴付け、記憶し、及び／または提示するために、プロセッサ１４２に動作可能に結合され得る。
【0053】
実施形態例では、部分１１４～１１８に対する材料は均一な材料であってもよいし、または材料の組み合わせであってもよい。たとえば材料部分１１４～１１８の一部または全部は、均一な材料であってもよいし、異なる材料の交互層であってもよいし、及び／またはコーティングを有していてもよい。部分１１４～１１８に対する材料は、アブレーションされる他の構造（たとえば、光学窓）と同じ材料であってもよいし、または少なくとも部分的に特定のアブレーション特性またはメカニズムの効果を調べるために、特定のアブレーションプロセスに対するそれらの相対的な感度に対して選択してもよい。
【0054】
例示した実施形態に示すように、材料部分１１４～１１８はすべて同じサイズ及び形状であってもよい。代替的に、部分１１４～１１８は、サイズ、形状、及び／または構成が異なっていてもよい。
【0055】
図９に、光検出器１４０（図８）からの出力を概略的に示す。図９に示す出力に表示された波長範囲１４４、１４６、及び１４８は、個々の材料部分１１４、１１６、及び１１８（図７）に対応する。図９では、出力レベル１４４～１４８はすべて、例示を目的として同じレベルで示しているが、異なる材料部分１１４～１１８に対するレベル１４４～１４８は、互いに異なる可能性が高いことが理解されよう。
【0056】
次に、図１０及び１１を参照するに、センサー１６０が示されている。センサー１６０は、アブレーションセンサー及び環境モニターの両方として機能する境界層モニターである。材料１６２は、外部環境１６４、たとえば、周囲のプラズマが存在し得る極超音速流に関連付けられるような高温ガス環境によってアブレーションされる。材料１６２は、環境１６４によってアブレーションされるときにアブレーション生成物１６８を生成するアブレーティングセンサーヘッドを構成してもよい。光が、アブレーション生成物１６８及び／またはプラズマなどの環境１６４の側面から反射され、分光計などの光検出器１７０において受け取られ得る。光検出器１７０はまた、材料１６２の材料成分の光源特性からの反射を受け取ってもよい。このような構成では、外部のアブレーション環境１６４は表面の追加層として機能し、この外部層の光学特性（反射性及び放射性）が、内部センサー１７０によって検出及びモニタリングされる。
【0057】
図１１に、特定の材料例、ダイヤモンド層を含む窓に対する光検出器１７０からのスペクトル出力を示す。ダイヤモンドの炭素は、酸素原子／イオンと結合してアブレーションされて、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成し得る。ＣＯ２に対応するスペクトル線１８０が、分光計の出力に見られる場合がある。したがって、センサー１６０からの出力によって、アブレーションされた材料の証拠が提供され得る。これにより、起こっているアブレーションの化学的性質に関する情報が提供され得る。
【0058】
反射センサーは、極超音速飛行ビークルまたは再突入を経るビークルなどの飛行ビークルの窓または他の表面のアブレーションを示すように較正された材料のアブレーションを測定する。材料の厚さが減少するにつれて材料の光学特性（分光反射率）が変化するため、リアルタイムモニタリングが可能である。そのようなアブレーションセンサー情報は、飛行中の状態を判定し、及び／または再利用可能なビークルに対する平均故障時間（ＭＴＴＦ）予測を行うために使用可能であり得る。センサーヘッド（材料１２（図１）など）は、コーティング及び基板を含む窓自体と同じ材料を使用することができる。
【0059】
光検出器からの出力のスペクトル分析によって、光学窓に対するものなど、表面の特定の構成要素のアブレーションに関する詳細な情報を得ることができる。たとえば、スペクトル分析は、光学窓のコーティングのアブレーションに関する情報を提供し、さらなる飛行のために光学窓を使用し続けるのに十分なコーティングが残っているか否かについての情報を提供し得る。
【0060】
通常、光学スペクトル分析は、アブレーション材料及び非アブレーション材料を構成する１つ以上の材料の光学定数の既知の値を使用して、時間とともに材料の厚さを推定する。各材料は光屈折率及び消光指数を持つ。これらのパラメータは通常、光学的文献では「ｎ」及び「ｋ」と言われる。屈折率ｎは、光が材料を通るときの見かけの速度を制御し、光が異なる材料間の境界を横切るときの反射を制御する。消光指数は、光が材料バルクを横切るときに材料によって吸収される光の量を制御する。材料層の上部及び底部を封入する材料が与えられたときに、材料の層を通る光の反射及び透過を正確に予測する良く知られた方程式がある。これらはフレネル係数と言われる。複合材料（コーティング＋基板）中の各材料の光学定数及び厚さが分かれば、１つ以上の材料層を通る光の全体的な反射率及び透過率を正確に予測できることは良く知られている。これらの定数は、実験室における光学エリプソメトリーによって定期的に決定される。次にソフトウェアシミュレーションにより、各材料の厚さが変化したときに光の透過率及び反射率がどのように変化するかを予測できる。通常、複合材料中の１つ以上の材料を通る光の透過及び反射は光の波長に大きく依存し、この依存性自体は材料の厚さに強く依存する。したがって、厚さの関数としての材料の複合材料の透過または反射スペクトルの波長依存性の変化を事前に計算してテーブルに保存し、材料または複合材料のリアルタイムの分光計測を比較して、システム内の１つ以上の材料の厚さの変化を決定することができる。加えて、材料の複合材料の光学定数及び初期厚さが分かっている場合は、ソフトウェアを使用して、非アブレーション材料のスペクトルを測定スペクトルと比較して、厚さの変化をリアルタイムで推定することができる。これは、アブレーションが一度に１つの材料層に影響するために可能であり、これにより、ソフトウェアの計算が、アブレーションされたときの各材料の厚さの変化を正しく推定するようになる。
【0061】
センサー出力をリアルタイムで追って、コーティングの厚さ（たとえば）または厚さの変化率を追跡してもよい。厚さの変化率に関するデータを積分して、厚さの全体的な変化を決定し得る。データを、耐アブレーションにおけるコーティングの性能を特徴付けるために使用してもよく、及び／または宇宙飛行などの任務の全体を通して様々な時点で起こるアブレーションを特徴付ける際に使用してもよい。アブレーション対時間を使用して、任務の全体を通して最も関連するアブレーション事象及び／または任務の異なる段階におけるアブレーションの背後にある可能な物理的メカニズムを決定してもよいし、及び／または（たとえば、図８の構成を使用したときに）任務の種々の段階を支配する重要なアブレーションプロセスを診断してもよい。
【0062】
図１２及び１３に、コーティング厚さが変化したときの反射スペクトルの変化の一例を示す。両図とも、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の基板上の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のコーティングを示している。図１２は、コーティング厚さが１６μｍであるときの反射スペクトルを示し、図１３は、コーティング厚さをわずかに減らして１５．８μｍであるときの同じコーティングを示す。強度の極大値及び極小値が位置する波長など、この反射スペクトルをモニタリングすることによって、コーティング厚さの小さい変化でさえも検出できる。十分な較正及びデータ収集があれば、材料及び光源の所与の組み合わせに対して、検出された反射スペクトルを特定のコーティング厚さに関連付けることが可能であり得る。
【0063】
図１４及び１５に、コーティング厚さのより大きい変化に対する反射スペクトルの変化を例示する。図１４は、ＺｎＳの基板上のＭｇＯの１６μｍコーティングに対する反射スペクトルを示し、図１５は、コーティング厚さを１０μｍまで減らしたときのスペクトルを示す。たとえば、図１４に例示した状態は、再利用可能な宇宙ビークルの１回目の飛行中の新しいコーティングに対応することができ、図１５に例示した状態は、同じビークルの１０回目の飛行中の同じ（部分的にアブレーションされた）コーティングのそれであることができる。したがって、再利用可能なビークルの複数の飛行にわたってアブレーションの影響を追跡して、部品を手動で検査する必要は何らなく、コーティングの状態を（より広範囲にはアブレーションの影響について）判定でき得る。これによって、有利なことに、時間及び労力が節約され、飛行間の不必要な部品交換が避けられ得る。
【0064】
前述した例の多くは、極超音速流環境でアブレーションセンサーを使用することについて説明しているが、より一般的には、本明細書に記載したようなアブレーションセンサーは、物理的及び／または化学的攻撃を受けている任意の表面をモニタリングするために使用され得る。図１６及び１７に、本明細書に記載したアブレーションセンサーの他の使用の例を示す。図１６は、最大圧縮に近い場所２１４で燃料噴射及び燃焼を行う超音速圧縮を提供する入口本体２１２と、燃焼の下流の超音速排気２１６とを含むスクラムジェットシステム２１０を示す。本明細書に記載したようなアブレーションセンサー２４０は、スクラムジェットシステム２１０内の適切な場所、たとえば超音速排気２１６に暴露される場所に配置してもよい。センサー２４０は、システム２１０の部品の摩耗またはアブレーションに関する情報を提供し得る。
【0065】
図１７は、トンネル３１０の高流量領域に配置されたアブレーションセンサー３１２（本明細書に記載したような）を備える極超音速風洞３１０を示す。センサー３１２を使用して、トンネル３１０の表面におけるアブレーション（摩耗）を判定してもよい。
【0066】
図１６及び１７に示したような用途のためのアブレーションセンサーは、前述した極超音速流及び／または宇宙ビークルの再突入流のものよりも正確になるように、及び／または速く侵食されるように構成してもよい。これに関連して、静的及びアクセス可能な用途に対するアブレーションセンサーを、必要に応じて交換されるように構成してもよい。
【0067】
図１８は、本明細書に記載の様々なセンサーを使用してアブレーションをモニタリングするための方法４００の高レベルである。ステップ４０２において、光を光源からアブレーションすべき材料に向ける。
【0068】
ステップ４０４において、この光を反射して反射光を生成する。この反射は、アブレーションされる材料から、及び／またはアブレーションによって生成されたアブレーション生成物から起こり得る。
【0069】
ステップ４０６において、反射光を分光計などの光検出器において受け取る（測定する）。この反射光の「測定」は、反射光の単純な受け取りだけでなく、処理、データの抽出、データの保存、及び／または受け取った反射光に関するデータの表示などの他のステップを含むと広く解釈すべきである。
【0070】
ステップ４０８において、光検出器が受け取った反射光からアブレーションを判定する。これはまた、処理、データの保存、異なる時間に由来するデータ（反射スペクトルなど）の比較、及び受け取った反射光の経時的な変化の検査などの他の動作を含んでいてもよい。
【0071】
最終的に、ステップ４１０において、反射光の分析によって、光検出器が受け取った反射光の変化に基づいて、外部イベントをトリガーしてもよい。このトリガーには、動作の変更、部品の取り替え、またはアブレーションもしくはアブレーション環境に関する状態の伝達が含まれていてもよい。
【0072】
次に図１９～２２を参照して、代替的な実施形態として、１つ以上のアブレーションセンサー層が、その表面にわたってパターニングされた島または溝の規則的な幾何学的アレイで構成された回折格子の形でパターニングされ得る実施形態を示す。このパターニングされた表面からの光回折によって、回折ローブと言われる高強度の光が、格子表面に対する幾何学的法線から非常に特定の角度で生成される。格子島または溝が材料内に特定の深さでパターニングされた場合、アブレーションによって最終的に、格子構造を含む材料が除去され、格子から反射した光または格子を透過した光から独特の格子効果のシグネチャーが除去される。代替的に、格子島または溝を、異なるアブレーション可能な材料を用いてより厚い材料内に生成し、そして格子構造間のギャップを埋めるために使用してもよい。ベース材料の光学屈折率を充填材料に一致させることにより、未アブレーション表面から反射された光内に格子効果は全く生成されないか最小限に抑えられる。その後のアブレーションによって、アブレーション可能な充填材料が除去され、それによってベース材料内に回折格子が形成される。そして格子シグネチャーが検出されると、アブレーションがあるレベルまで進んだときが示される。
【0073】
図１９及び２０に、一実施形態として、アブレーションされることになる材料５０２が、基板５０６上にパターニングされたアブレーション材料５０４を含む実施形態を示す。パターニングされた材料５０４が存在する間（図１９）、材料５０２は回折格子として機能して、光回折を生成する。図２０に示すように、材料５０４がアブレーション除去された後、材料５０２はもはや光回折を生成しない。回折挙動から非回折挙動への移行は、アブレーションの徴候として検出され得る。
【0074】
図２１及び２２に、別の実施形態として、アブレーションされることになる材料５１２が基板５１６上に層５１４を含む実施形態を示す。層は、パターニングされたアブレーション材料５２０及び非アブレーション材料５２２にて、屈折率が一致した材料を含む。アブレーション前は、図２１に示したように、屈折率が一致した材料５２０及び５２２が、すべて同じ屈折率を有する均一な層５１４として機能するため、回折はない。しかし、アブレーション材料５２０がアブレーション除去された後は、図２２に例示したように、パターニングされた非アブレーション材料５２２のみが基板５１６上に残る。パターニングされた非アブレーション材料５２２は、光回折を引き起こし、この構成ではそれがアブレーションの徴候である。
【0075】
前述した光回折材料は、全般的に、本明細書に記載の多くのタイプのアブレーションセンサーのいずれにおいて使用してもよいことが理解される。回折を生じさせるためのパターニングには、種々の既知のパターンのうちのいずれかが含まれ得る。
【0076】
本発明を特定の好ましい実施形態または実施形態（複数）に関して図示し説明してきたが、本明細書及び添付図面を読んで理解すれば、同等の変更及び修正が当業者に思い浮かぶことは明らかである。詳細には、上記の要素（構成要素、アセンブリ、デバイス、組成物など）によって実行される様々な機能に関して、そのような要素を説明するために使用される用語（「手段」への言及を含む）は、特に指示しない限り、本明細書に例示した本発明の典型的な実施形態または実施形態（複数）において機能を実行する開示された構造と構造的に同等でなくても、説明した要素の特定の機能を実行する（すなわち、機能的に等価な）任意の要素に対応することが意図される。加えて、本発明の特定の特徴は、いくつかの例示的実施形態のうちの１つ以上に関してのみ上記で説明している場合があるが、そのような特徴は、任意の所与または特定の用途に対して望ましいかまたは有利なように、他の実施形態のうちの１つ以上の他の特徴と組み合わせてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【国際調査報告】