一種全復(fù)合材料衛(wèi)星天線承力筒的研制

廖英強 曾金芳

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

0 引言

隨著衛(wèi)星、飛船等航天器制造技術(shù)的快速發(fā)展，大型及微小型衛(wèi)星公用平臺技術(shù)、新型航天器有效載荷技術(shù)，均對航天器結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量、力學(xué)性能、物理性能、空間環(huán)境等方面提出更高的要求：1）輕質(zhì)化，盡量降低航天器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量比例，提高有效載荷質(zhì)量；2）高強、高模、延伸性好，提高結(jié)構(gòu)的自振頻率和穩(wěn)定性；3）在空間溫度變化條件下保持尺寸穩(wěn)定，具有較小的線膨脹系數(shù)；4）材料具有抗輻照、抗老化等良好的空間環(huán)境穩(wěn)定性[1-2]。

20世紀80年代日本成功開發(fā)出MJ系列高模量碳纖維，該類碳纖維具有較高的模量，同時具有高的拉伸強度、壓縮強度和斷裂延伸率[3-5]。PAN基高模量碳纖維復(fù)合材料的比強度、比模量高，熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性好，適用于人造衛(wèi)星的承力結(jié)構(gòu)、太陽能電池板、天線等部位[6-9]。使用復(fù)合材料，可以使衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅占總質(zhì)量的4%～5%。

衛(wèi)星天線承力筒是一個圓柱形或圓柱形與圓錐形組合的結(jié)構(gòu)，位于衛(wèi)星部件的中央，需要滿足強度和剛度的設(shè)計要求[10]，并具有低軸向熱膨脹系數(shù)。衛(wèi)星天線承力筒式結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，得益于其具有以下特點：1）便于連接，連接傳力均勻，傳力形式好；2）力學(xué)性能好，尤其是抗扭轉(zhuǎn)性能強，承力均勻、合理。衛(wèi)星天線承力筒可使用的材料包括碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料、鋁合金或鈦合金等[11-15]。

本文研究的衛(wèi)星天線承力筒結(jié)構(gòu)的工作溫度范圍寬、減少質(zhì)量要求高，軸向剛度和軸向熱膨脹系數(shù)性能要求高；同時該天線承力筒結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的外形及高的連接精度；因此對結(jié)構(gòu)總體成型方案和制備工藝都提出了極高的要求。本文進行的材料基礎(chǔ)熱力學(xué)性能測試、總體成型方案設(shè)計、產(chǎn)品試制等方面的工作。真空高低溫循環(huán)實驗和振動過載實驗表明，該產(chǎn)品具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能。

1 總體成型方案設(shè)計

總體設(shè)計指標如下：

1）產(chǎn)品筒體位置軸向模量≥90GPa（常溫）；

2）產(chǎn)品軸向熱膨脹系數(shù)≤2×10-6K-1；

3）產(chǎn)品質(zhì)量比鋁合金產(chǎn)品減少30%以上；

4）工作環(huán)境(–170～120)℃。

某衛(wèi)星天線承力筒由上、下底座組成，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星天線承力筒三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometry model of satellite antenna composite bearing cylinder

產(chǎn)品總體成型方案設(shè)計：經(jīng)過對上、下底座產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點分析，利用模塊化制造思路將下底座分解為左堵蓋、中筒、右堵蓋、加強筋4個部分，將上底座分解為圓筒、加強筋2個部分，如圖2所示。

圖2 分解圖Fig.2 Explodedview

下底座總體成型方案為：1）左堵蓋、右堵蓋模壓成型；2）將其裝配在可溶性芯模上進行中筒鋪放成型；3）在中筒上進行加強筋的粘接；4）機加減重孔、螺紋連接孔、脫模及表面處理等。

上底座總體成型方案為：1）圓筒采用模壓工藝成型；2）在圓筒上進行加強筋的粘接；3）機加減重孔、螺紋連接孔、脫模及表面處理等。

2 材料基礎(chǔ)熱力學(xué)性能研究

根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境(-170～120)℃，采用耐高溫環(huán)氧樹脂基體，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達170℃，完全滿足工作環(huán)境溫度的要求；同時根據(jù)產(chǎn)品軸向模量、軸向熱膨脹性能的要求，選擇M40JB-6k碳纖維，按照經(jīng)緯向1︰2的比例編織平紋炭布。

采用M40JB-6k平紋炭布（經(jīng)緯向1︰2）和49E環(huán)氧樹脂制備層壓板，按GB3355-2005《纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法》和GB3354-1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》的要求機加試樣并進行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果見表1；按GJB332A-2004《固體材料熱膨脹系數(shù)測試方法》進行測試，試樣長度為100mm，溫度測試范圍為(196～150)℃，室內(nèi)溫度為14℃，試樣環(huán)境氣壓為84315Pa，測溫元件采用銅—康銅熱電偶，測試結(jié)果見表2～3。

表1 M40JB-6k炭布/49E層壓板常溫力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of M40JB-6k carbon cloth/49E laminate at room temperature

表2 M40JB-6k炭布/49E層壓板徑向熱性能Tab.2 Thermal property of M40JB-6k carbon cloth/49E laminate in warp direction

表3 M40JB-6k炭布/49E層壓板緯向熱性能Tab.3 Thermal property of M40JB-6k carbon cloth/49E laminate in weft direction

從表1～3可以看出：常溫下M40JB-6k炭布層壓板（經(jīng)緯向1︰2）的緯向拉伸模量達到118GPa，緯向拉伸強度為771MPa；在-190～150℃范圍內(nèi)M40JB-6k炭布層壓板緯向熱膨脹系數(shù)介于(0.3～1.4)×10-6℃-1，經(jīng)向熱膨脹系數(shù)介于(0.3～5.3)×10-6℃-1；由于層壓板試樣與產(chǎn)品筒體位置軸向的鋪層結(jié)構(gòu)、厚度一致且炭布緯向與產(chǎn)品筒體軸向一致，因此采用M40JB-6k炭布且緯向與軸向平行的情況下，鋪放成型的衛(wèi)星天線承力筒能夠滿足軸向模量≥90GPa（常溫）、軸向熱膨脹系數(shù)≤2×10-6K-1的要求。

3 產(chǎn)品試制

3.1 試制中的關(guān)鍵問題

上、下底座試制過程中，需要解決以下關(guān)鍵問題：

（1）預(yù)浸漬織物制備工藝及加壓時機

上、下底座制備過程中預(yù)浸料的自粘性、變形性是實際成型過程的關(guān)鍵，需要準確把握預(yù)浸料制備過程中的溫度和烘干時間。將預(yù)浸料鋪放入模具并置于熱壓機上進行加壓成型時，初始保溫時間、加壓時機和加壓壓力是保證產(chǎn)品凈尺寸成型的關(guān)鍵。

（2）溫控脫模技術(shù)

上、下底座模壓件成型過程中，產(chǎn)品和金屬芯模之間熱膨脹系數(shù)的差別將造成產(chǎn)品固化后芯模與產(chǎn)品間存在高的熱應(yīng)力，因此脫模過程中產(chǎn)品會出現(xiàn)抱緊陰?；蜿柲５默F(xiàn)象，需要通過升溫或降溫措施來緩解熱應(yīng)力以便順利脫模。

（3）高可靠性螺紋連接技術(shù)

上、下底座與天線等部分需要螺紋進行連接，但直接在復(fù)合材料上機加螺紋易出現(xiàn)掉牙、分層、開裂等現(xiàn)象，且不能重復(fù)使用。為此，需要鑲嵌金屬螺紋來解決，目前常用的方法有鑲嵌鋼絲螺套、鑲嵌金屬件再自攻螺套等，具體選擇哪種連接方式需要從可靠性、制造成本、可操作性等方面進行綜合考慮選擇。本文采用了鑲嵌鋼絲螺套的方法。

3.2 產(chǎn)品的試制

經(jīng)過對以上試制中關(guān)鍵問題的定位和把握，完成了某衛(wèi)星天線承力筒的試制。關(guān)鍵工藝參數(shù)如下：1）預(yù)浸料制備工藝為80℃烘干0.5h；2）熱壓成型中初始保溫時間為0.5h，之后立即加壓且加壓壓力為3～5MPa；3）螺紋連接型式采用自攻螺套進行連接。在以上研制工藝參數(shù)條件下，研制的衛(wèi)星天線承力筒總質(zhì)量約為2.3kg，其中上底座質(zhì)量為0.617kg，下底座質(zhì)量為1.702kg，而原有鋁質(zhì)承力筒總質(zhì)量為4.0kg，質(zhì)量減輕40%以上，滿足設(shè)計指標要求。

3.3 實驗考核

衛(wèi)星天線承力筒在真空罐中通過了(-170～120)℃/24h、6.5個循環(huán)的高低溫循環(huán)實驗測試，產(chǎn)品無殘余變形，采用CT無損檢測手段對產(chǎn)品進行檢驗，產(chǎn)品內(nèi)部未出現(xiàn)開裂、分層等現(xiàn)象。實驗測試結(jié)果和表1～3中材料熱力學(xué)性能測試結(jié)果表明，該產(chǎn)品的耐熱性能和熱力學(xué)性能良好。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對衛(wèi)星天線承力筒的總體成型方案的設(shè)計，進行了基礎(chǔ)材料熱力學(xué)性能測試及產(chǎn)品的試制，得到以下結(jié)果：

1）使用全復(fù)合材料研制的衛(wèi)星天線承力筒，其經(jīng)緯向比為1︰2的M40JB-6k炭布層壓板緯向拉伸模量為118GPa，緯向拉伸強度為771MPa，經(jīng)向拉伸模量為61.1GPa，經(jīng)向拉伸強度為358MPa；

2）經(jīng)緯向比為 1︰2的 M40JB-6k炭布層壓板在(–190～150)℃范圍內(nèi)，緯向熱膨脹系數(shù)介于(0.3～1.4)×10–6℃–1，經(jīng)向熱膨脹系數(shù)(0.3～5.3)×10–6℃–1；

3）采用M40JB-6k炭布/49E環(huán)氧樹脂研制的承力筒能夠承受(–170～120)℃/24h、6.5個循環(huán)的高低溫循環(huán)實驗考核；

4）采用M40JB-6k炭布/49E環(huán)氧樹脂研制的承力筒比鋁質(zhì)承力筒質(zhì)量減輕40%以上；

5）本文采用的一體化成型工藝合理可行，研制的產(chǎn)品性能先進，有助于減輕衛(wèi)星質(zhì)量、提高天線定位精度和發(fā)射效率。

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