一種新型車載碳纖維反射體研制

寧曉磊，楊文寧，王海東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊　050081)

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一種新型車載碳纖維反射體研制

寧曉磊，楊文寧，王海東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊050081)

摘要:針對(duì)目前中型車載天線高機(jī)動(dòng)性、高精度等要求，本文突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在“一體化”結(jié)構(gòu)理念指導(dǎo)下，大量采用具有高比模量和比強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好等特性的碳纖維復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造了3.2m反射體，反復(fù)拆裝精度不超過(guò)0.16mm，且外觀優(yōu)良、重量輕、拆裝便捷，能夠滿足車載Ka頻段使用。

關(guān)鍵詞:碳纖維；反射體；高精度；高機(jī)動(dòng)性

與固定站天線相比，車載天線正朝著小型化、自動(dòng)化、高機(jī)動(dòng)性方向發(fā)展，這就對(duì)天線的重量、架設(shè)時(shí)間等與天線機(jī)動(dòng)性能密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)指標(biāo)提出了更高的要求。但目前該類天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)反射面的分塊方式、連接方式、裝配方式、折疊機(jī)構(gòu)、型面的保型機(jī)構(gòu)等方面細(xì)化論證，設(shè)計(jì)難度較大。

在裝備輕量化需求背景下，碳纖維復(fù)合材料以其高的比模量和比強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好等特性正在逐步替代鋁合金。對(duì)于反射面的分塊方式，無(wú)論是鋁合金材質(zhì)還是碳纖維復(fù)合材料，目前常見(jiàn)的有“花瓣”式結(jié)構(gòu)和平行分塊折疊結(jié)構(gòu)。其不足之處就是反射體重量大、裝配復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性差、反射面精度有瓶頸[1,2]。

本文在前人研究工作基礎(chǔ)之上，充分利用碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分塊方式、保型機(jī)構(gòu)，保證天線滿足車載環(huán)境和高精度指標(biāo)要求。

1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以3.2m標(biāo)準(zhǔn)拋物面反射體為例，將反射面分為5塊，中心面板投影尺寸為2m×2m，面積為4.22m2，側(cè)面板面積為1.22m2，如圖1所示。該設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樣式，從反射器整體的“一體化”設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，去除了天線的中心體結(jié)構(gòu)，使天線反射器的各個(gè)分塊部分獨(dú)自成為具有背部支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛體，大大簡(jiǎn)化了天線組裝復(fù)雜性。

(a)正面 (b)中心剖視圖 (c)背面圖1　3.2m反射體示意圖

(1)中心面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中心面板主要由反射面板、8條加強(qiáng)筋、過(guò)度筒、天線連接座組成。反射面板采用1mm厚碳纖維復(fù)合材料蒙皮、厚耐久型鋁蜂窩夾芯、鋁合金接口埋件整體膠粘結(jié)構(gòu)形式；加強(qiáng)筋采用2mm厚碳纖維復(fù)合材料蒙皮、36mm泡沫夾芯、鋼質(zhì)接口埋件整體膠粘結(jié)構(gòu)形式，外形采用了流線設(shè)計(jì)既保證了剛度又提高了美觀度；過(guò)度筒采用純碳纖維復(fù)合材料與鋼質(zhì)天線連接板整體膠粘結(jié)構(gòu)。

(2)側(cè)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)面板由反射面板、加強(qiáng)筋組成，其結(jié)構(gòu)形式與中心面板相同，加強(qiáng)筋在結(jié)構(gòu)上與中心面板呈連續(xù)流線設(shè)計(jì)。

1.2反射體保型設(shè)計(jì)

反射體型面精度直接影響天線的電氣性能，除了要保證單塊面板的精度，更要在面板連接方式上做足功課，保證面板在反復(fù)拆裝使用過(guò)程中始終能保持良好的精度。筆者在面板和連接方式上設(shè)計(jì)如下：

(1)在碳纖維天線中采用面板翻邊設(shè)計(jì)，翻邊總厚度為5mm，使得天線面板由傳統(tǒng)板式結(jié)構(gòu)變?yōu)榘胂涫浇Y(jié)構(gòu)，大大提高了自身的剛強(qiáng)度。翻邊與面板整體成型，既保證了面板自身的精度，也滿足連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(2)面板與面板連接設(shè)計(jì)。在加強(qiáng)筋連接處采用面+銷連接定位方式，如圖2所示；面板翻邊處通過(guò)錐銷+螺連相結(jié)合，如圖3所示，采用過(guò)定位方式在每條邊上均勻布置4組連接件。

圖2　加強(qiáng)筋連接方式 圖3　定位組件結(jié)構(gòu)

2天線加工工藝

2.1復(fù)合材料構(gòu)件加工工藝

產(chǎn)品所采用的復(fù)合材料為碳纖維斜紋編織布環(huán)氧樹(shù)脂中溫固化預(yù)浸料，通過(guò)熱壓罐工藝固化成型。具體實(shí)施工藝如下：

圖4　模具示意圖

(1)模具設(shè)計(jì)。該類天線模具既要能在面板加工時(shí)使用，又要在整體裝配時(shí)起到裝配工裝的作用，還要運(yùn)輸方便，因此設(shè)計(jì)了一套尺寸為Φ3.2m×2.4m的模具，如圖4所示。

(2)面板成型工藝。面板蒙皮通過(guò)熱壓罐中溫固化工藝預(yù)制，再采用低溫固化膠膜將蒙皮、蜂窩、預(yù)埋件在熱壓罐內(nèi)90℃整體固化成型。由于所選膠膜固化溫度低，降低了碳纖維蒙皮和模具、預(yù)埋件之間的溫差，有助于提高面板精度。所得到中心面板均方根精度為0.151mm，側(cè)面板均方根精度分別為0.092mm、0.085mm、0.105mm、0.09mm。

(3)加強(qiáng)筋成型工藝。加強(qiáng)筋采用閉模工藝，將碳纖維蒙皮、膠粘劑、泡沫夾芯、預(yù)埋件中溫固化整體成型。

(4)碳纖維過(guò)度筒與鋼質(zhì)天線連接板在熱壓罐內(nèi)中溫固化整體成型。

通過(guò)上述成型工藝，得到了剛性和精度優(yōu)良的面板、加強(qiáng)筋、過(guò)度筒，為整體性能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2.2裝配工藝

裝配工藝是否得當(dāng)，直接體現(xiàn)在產(chǎn)品性能上，因此裝配是最后也是非常關(guān)鍵的一步，本研究采用了如下裝配工藝：

第一步：裝配中心面板+2塊側(cè)面板。首先將3塊面板按模具刻線放置好，并在面板側(cè)面與模具之間布置真空袋真空負(fù)壓。該操作可將面板和模具之間空氣抽走，使面板緊緊貼附在模具上，有助于提高裝配精度。采用室溫固化糊狀膠配粘過(guò)度筒(含連接板)、加強(qiáng)筋、定位組件，整個(gè)操作過(guò)程環(huán)境溫度控制在20℃-30℃之間，固化溫度不超過(guò)50℃。

第二步：將中心面板旋轉(zhuǎn)90°，按上述裝配工藝裝配中心面板和另外2塊側(cè)面板所需加強(qiáng)筋和定位組件。

第三步：裝配側(cè)面板之間的4組定位組件。

2.3測(cè)試結(jié)果及分析

采用碳纖維復(fù)合材料的某3.2m天線體實(shí)物如圖5所示?？梢钥闯?，該天線體外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，拼裝后整體性好，輪廓過(guò)渡圓滑。借助攝影測(cè)量手段，其面精度均方根值實(shí)測(cè)值為0.147mm。同時(shí)對(duì)整個(gè)反射體進(jìn)行了稱重檢測(cè)，其中金屬件重量約為58kg，復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)重量約為74kg，總重量只有132kg，與目前同口徑反射體相比，無(wú)論在重量還是精度上都有明顯優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)200km跑車和數(shù)次拆裝后，精度一直維持在0.16mm以內(nèi)，而且每次拆裝時(shí)間不超過(guò)8分鐘，完全滿足Ka頻段及高機(jī)動(dòng)性使用要求。

圖5　3.2m反射體實(shí)物圖

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車載天線高機(jī)動(dòng)性、高精度指標(biāo)要求，基于“一體化”設(shè)計(jì)理念，研制出具有外觀優(yōu)良、拆裝便捷、精度高的碳纖維復(fù)合材料中型口徑反射體，可為近似口徑反射體的設(shè)計(jì)和制造提供一定的技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬萬(wàn)壘.2.4mKa天線輕型化設(shè)計(jì)及力學(xué)分析[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(4)：44-49.

[2]牛忠文.大口徑高精度航管雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2015,(1):103-112.

Research and production of a new type vehicle CFRP reflector

NING Xiao-lei，YANG Wen-ning，WANG Hai-dong

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Abstract:Aiming to requirement，such as high accuracy and high mobility,of the present medium-size vehicle antenna,a new design method that breaks through the traditional technipue and adopts the “integration” structure designing idea is proposed.Using a large number of CFRP and its structure,which has high specific modulus and specific strength,well fatigue resistance,corrosion resistance,nice dimensional stability,a 3.2m reflector is devised and manufactured.Its repeated dismount accuracy couldn’t scale out 0.16mm.This reflector，which has nice outward,low weight and is easy to tear open outfit,completely meet the vehicle’s and Ka-band’s demand.

Keywords:CFRP；Reflector；High accuracy；High mobility

中圖分類號(hào)：TN820.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9383(2016)01-0027-04

作者簡(jiǎn)介:寧曉磊(1983-),男，河北邯鄲人，碩士，工程師，研究方向先進(jìn)復(fù)合材料在電子工程方面的應(yīng)用.

收稿日期：2015-12-24