碳纖維復(fù)合材料在星載天線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用*

張登材，張義萍，黃福清，張 杰

(中國電子科技集團公司第二十九研究所, 四川 成都 610036)

引 言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，寬頻段、高增益、大口徑的天線在航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，航天器對質(zhì)量非常敏感，而太空環(huán)境十分惡劣，溫度變化劇烈，因此研究如何降低這些天線的質(zhì)量和提高這些天線的環(huán)境適應(yīng)能力具有重要意義[1-4]。

碳纖維復(fù)合材料是以樹脂為基體、碳纖維為增強體的復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、模量高、熱膨脹系數(shù)低等特點。碳纖維本身具有導(dǎo)電性，在一定的頻率范圍內(nèi)能夠完成天線電磁波的發(fā)射或接收，并能承受一定的功率。因此用碳纖維復(fù)合材料制作的天線不僅能保證天線的電性能而且質(zhì)量輕，比強度高，抗沖擊振動能力強，能承受高低溫循環(huán)、熱真空等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗的考核，是星載天線的首選材料[5-8]。

文獻[1]研究了不同模量的碳纖維對天線電磁性能的影響，為星載天線減重設(shè)計提供了有效途徑；文獻[2]綜述了碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景；文獻[4]研究了碳纖維復(fù)合材料在某雷達(dá)天線骨架和某單層板加背筋反射面天線中的應(yīng)用；文獻[5-9]重點研究了基于碳纖維復(fù)合材料天線的制作工藝和仿真分析。目前，關(guān)于碳纖維復(fù)合材料天線的研究大多側(cè)重于加工制造工藝、仿真分析等方面，針對這種天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的研究鮮見報道。為此，本文全面系統(tǒng)地研究了碳纖維復(fù)合材料與星載天線性能相關(guān)的特點，闡述了應(yīng)用于星載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計時的鋪層設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，可為星載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提供工程參考。

1 碳纖維復(fù)合材料的特性

1.1 碳纖維復(fù)合材料的機械性能

應(yīng)用于航天領(lǐng)域的主要的幾種碳纖維及其主要性能見表1。

表1 碳纖維性能參數(shù)表

從表1可以看出，相比于傳統(tǒng)金屬材料，碳纖維的密度小(只有鋁合金的0.64倍)，比強度和比模量高，比強度是鋁合金的17.8倍，比模量是鋁合金的7倍(碳纖維以T700為例，鋁合金以LY12CZ為例)。

碳纖維復(fù)合材料機械性能的高低與選取的碳纖維種類密切相關(guān)，M系列的碳纖維模量較高，但強度較低，T700的強度高，但模量較低。

1.2 碳纖維復(fù)合材料的熱性能

碳纖維軸向和徑向的熱膨脹系數(shù)相差比較大，并且隨著模量的增加，纖維軸向的熱膨脹系數(shù)會下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。基于這個特點，在天線成型過程中設(shè)計不同的纖維鋪層結(jié)構(gòu)，可以使天線在成型過程和實際工作環(huán)境中做到“零膨脹”。對于工作在熱交變劇烈的太空環(huán)境中的星載天線，采用這種“零膨脹”系數(shù)材料來使其結(jié)構(gòu)和型面精度保持穩(wěn)定是非常有效的。

1.3 碳纖維復(fù)合材料的電性能

通常情況下，天線有“駐波”和“增益”2個重要的電性能指標(biāo)。天線的駐波指的是反射功率與輸入功率之比，駐波越小越好；天線的增益指的是在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號功率密度之比，它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，一般情況下增益越高越好。已有的研究表明：碳纖維復(fù)合材料天線的駐波和增益與天線內(nèi)表層的碳纖維模量密切相關(guān)，內(nèi)表層碳纖維的模量越高，天線的駐波就越低，增益就越高，天線的電性能也越好[1]。

1.4 碳纖維復(fù)合材料設(shè)計上的先進性

碳纖維復(fù)合材料是一種各向異性材料，沿纖維軸方向和垂直于纖維軸方向的電、磁、熱、力學(xué)性能都有明顯的差別。這樣的各向異性給設(shè)計帶來了較多的可選擇性，可以通過合適的鋪層方向和層數(shù)來滿足強度、剛度和其他特殊要求，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了巨大的設(shè)計空間，是傳統(tǒng)的各向同性金屬材料所無法比擬的。

2 碳纖維復(fù)合材料天線鋪層設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維和樹脂的性能差別很大，碳纖維各向異性，軸向和徑向性能相差很大，而樹脂在固化過程中收縮較大。因此，合理的鋪層設(shè)計是碳纖維復(fù)合材料天線取得較佳的機械性能和電性能的關(guān)鍵因素。

由于碳纖維軸向和徑向的熱膨脹系數(shù)相差較大，因此只有采用準(zhǔn)各向同性對稱鋪層，并利用高模量纖維軸向熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，來抵消徑向較大的熱膨脹系數(shù)，才能使各向熱膨脹系數(shù)接近“零”，以保證星載天線在高低溫變化劇烈的太空環(huán)境中保持穩(wěn)定的型面精度。

在碳纖維鋪層設(shè)計中，盡量減少纖維斷口和搭接，同時保證纖維鋪放有序，重點保證鋪層的對稱性以減少翹曲變形來提高天線部件的精度。由于碳纖維材料嚴(yán)重的各向異性，在平面內(nèi)會產(chǎn)生特殊的拉剪耦合效應(yīng)，因此除了采用0°、90°的正交鋪層外，應(yīng)盡量采用±θ°方式的鋪層設(shè)計，使纖維方向在分層的平面內(nèi)均勻分布[9]。

碳纖維復(fù)合材料面天線的電性能指標(biāo)主要取決于面天線內(nèi)表層材料的導(dǎo)電性，為此面天線內(nèi)表層材料優(yōu)選M系列高模量的碳纖維，以保證天線較低的駐波和較高的增益指標(biāo)，其余增強層選強度較高、價格相對便宜的T系列碳纖維。將高模量的M系列和高強度的T系列碳纖維組合使用，在天線的電性能、剛強度、價格等方面進行折衷，以滿足工程應(yīng)用要求。

3 碳纖維復(fù)合材料天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 喇叭天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

將喇叭天線的喇叭體、上脊、下脊、安裝法蘭盤等要素設(shè)計成一個零件，如圖1和圖2所示。采用改型的環(huán)氧樹脂AG-80為基體材料，M60J高模量碳纖維為天線內(nèi)表面導(dǎo)電層，T700高強度碳纖維為天線的增強層，鋪層方式按〔0°/ 90°〕正交鋪設(shè)，成型方式采用在模具上鋪層、熱壓罐固化成型。為進一步提高天線的電性能和機械性能，采取喇叭體、上脊、下脊、安裝法蘭盤整體鋪層連接。圖1所示的矩形喇叭的外形尺寸為230 mm × 200 mm × 211 mm，重0.43 kg；圖2所示的圓形喇叭的外形尺寸為φ62 mm × 110 mm，重0.05 kg。經(jīng)實物測試，所有指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

圖1 碳纖維復(fù)合材料矩形喇叭示意圖

圖2 碳纖維復(fù)合材料圓形喇叭示意圖

通常情況下，星載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后還需要按照項目環(huán)境試驗條件進行有限元仿真分析，以校核其剛強度是否滿足要求。針對碳纖維復(fù)合材料天線的仿真分析研究比較成熟，相關(guān)文獻也比較多。限于篇幅，這里不再詳述，僅給出圖1和圖2所示天線的基頻分析結(jié)果。圖1所示矩形喇叭的基頻為567 Hz，振型如圖3所示；圖2所示圓形喇叭的基頻為1 329 Hz，振型如圖4所示。分析表明這2個喇叭天線的基頻都很高，剛強度好，滿足設(shè)計要求。

圖3 矩形喇叭1階振型示意圖

圖4 圓形喇叭1階振型示意圖

3.2 反射面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常情況下，基于碳纖維復(fù)合材料設(shè)計的天線反射面主要有3種結(jié)構(gòu)形式：單層板加背筋、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加背筋，如圖5所示。單層板加背筋的這種形式型面剛度低，精度不易保證，僅適用于型面精度不高的小尺寸反射面；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于輕質(zhì)的蜂窩芯材將高強度碳纖維復(fù)合材料面板隔開，增大其結(jié)構(gòu)慣性矩從而提高剛度，有利于保證反射面的型面精度和減少重量；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加背筋這種形式進一步提高了反射面的剛強度，適用于大尺寸反射面。

圖5 碳纖維復(fù)合材料反射面結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖6所示的偏饋反射面口徑為2.2 m，圖7所示的正饋反射面口徑為1.5 m，尺寸都比較大，反射面型面精度要求高，因此采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)加背筋的結(jié)構(gòu)形式。

圖6 碳纖維復(fù)合材料偏饋反射面示意圖

圖7 碳纖維復(fù)合材料正饋反射面示意圖

綜合考慮反射面的強度和電性能，決定反射面的內(nèi)外蒙皮都采用1層M55J碳布和2層T700無緯布按〔±45°/ 0°/ 90°〕準(zhǔn)各向同性鋪層(表面導(dǎo)電層為M55J碳布)，保證內(nèi)外蒙皮的對稱性，以確保天線在溫度場的作用下產(chǎn)生盡量小的翹曲變形?？紤]到重量和強度，夾層結(jié)構(gòu)中的蜂窩選用5 × 0.04鋁蜂窩。對天線的背筋沒有電性能要求，因此增強材料選用T700按各向同性等效鋪層。蒙皮和背筋的基體材料都采用改型的環(huán)氧樹脂AG-80。

背筋對提高和穩(wěn)定反射面精度非常重要，考慮到重量的限制，圖6所示的偏饋反射面決定采用“井”字型式布置背筋，將反射面4個壓緊點與天線展開機構(gòu)連接點連接起來，形成傳力路徑。圖7所示的正饋反射面決定采用“米”字型式布置背筋，將反射面上6個支撐桿固定點與天線安裝法蘭固定點連接起來，形成傳力路徑。最后完成的偏饋反射面僅重12.9 kg(含4個鈦合金壓緊套)，正饋反射面僅重7.8 kg。經(jīng)實物測試，反射面的電性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，空間環(huán)境適應(yīng)性通過鑒定級試驗考核。

3.3 天線支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般情況下，對天線支架沒有電性能要求，在航天領(lǐng)域重點考慮重量、強度、成本等問題。圖8所示的小型星載天線支架(95 mm × 85 mm × 90 mm)采用改型的環(huán)氧樹脂AG-80為基體材料，價格相對便宜的T300碳纖維為支架的增強層，鋪層方式按〔0°/ 90°〕正交鋪設(shè)，成型方式采用在模具上鋪層、熱壓罐固化整體成型。最終完成的支架僅重0.11 kg，各項指標(biāo)滿足要求。

圖8 碳纖維復(fù)合材料天線支架示意圖

4 需要注意的問題

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有很多優(yōu)點，但將它應(yīng)用于星載天線結(jié)構(gòu)時，需要注意以下幾個問題：

1)高模量系列碳纖維在導(dǎo)電性能上接近一般金屬，但相關(guān)研究表明，即使用M60J這種高模量碳纖維制作的天線，與同樣的金屬材料天線相比，其增益也會有所下降，特別是在高頻段，增益下降會更明顯。因此高頻段天線選用碳纖維復(fù)合材料時，應(yīng)留有一定的增益余量。

2)碳纖維復(fù)合材料天線或支架上如果設(shè)計有螺紋孔，則需要設(shè)計金屬材料預(yù)埋件，在成型過程中埋入螺紋孔處，固化成型后在金屬預(yù)埋件上打孔攻絲，以保證螺紋連接強度。

3)碳纖維復(fù)合材料天線或支架采用在模具上鋪層的方式制作，因此在零件轉(zhuǎn)角處需要設(shè)計工藝圓角。

5 結(jié)束語

基于碳纖維復(fù)合材料的獨特性能，對其進行了深入研究和大量試驗，最終成功地將其應(yīng)用于多個星載天線結(jié)構(gòu)中，解決了實際工程應(yīng)用難題。在此基礎(chǔ)上，重點介紹了將其應(yīng)用于天線結(jié)構(gòu)時的鋪層設(shè)計，詳細(xì)闡述了碳纖維復(fù)合材料星載喇叭天線、反射面天線、天線支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，并給出了一些注意事項。碳纖維復(fù)合材料這種低密度輕型材料以其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電磁性能在星載天線結(jié)構(gòu)中必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文的研究可以為以后其他類型的星載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

碳纖維復(fù)合材料天線采用模具糊制成型，其尺寸精度、表面粗糙度都低于傳統(tǒng)的采用金屬材料通過機械加工成型的天線，從而影響其電磁性能。在同等情況下，碳纖維復(fù)合材料天線的增益也低于傳統(tǒng)金屬材料天線，高頻段的天線尤其明顯。因此，如何提高碳纖維復(fù)合材料天線的精度和增益值得深入研究。