某復(fù)合材料星載天線反射面抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

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(1. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 亳州 236800；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天線反射面作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，與信號的接受、發(fā)射質(zhì)量和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接相關(guān)[1]。平面度和尺寸穩(wěn)定性作為天線反射面的兩個重要指標(biāo)，將會直接影響天線的增益，因此反射面研制過程中，一個重要任務(wù)是如何來保證反射面的型面精度和尺寸穩(wěn)定性[2]。同時衛(wèi)星天線反射面又作為航天結(jié)構(gòu)件，對重量控制有著較高的要求，因此反射面的研制過程中，另外一個重要的工作就是輕量化設(shè)計(jì)。針對型面精度、尺寸穩(wěn)定性和輕量化設(shè)計(jì)等多重要求，在拓?fù)錁?gòu)型和結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用高模量、高強(qiáng)度的新型材料是最佳的選擇，特別是使用先進(jìn)復(fù)合材料。

復(fù)合材料由多種類型的材料通過復(fù)合工藝組合而成，既能夠保留原有組成材料的主要特色，又能通過材料設(shè)計(jì)使各組分性能相互彌補(bǔ)、補(bǔ)充、關(guān)聯(lián)和協(xié)同，從而獲得原組分材料無法比擬的優(yōu)勢[3]。先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料，其在綜合性能上與鋁合金相當(dāng)，但是比剛度、比強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于鋁合金材料[4]，并且具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞性能。特別是碳纖維復(fù)合材料還具有良好的導(dǎo)電性能，能夠滿足天線反射面必須是導(dǎo)電材料的要求；并且碳纖維復(fù)合材料在纖維方向和垂直纖維方向上分別具有負(fù)的和正的熱膨脹系數(shù)，能夠通過鋪層設(shè)計(jì)保證天線反射面在軌道熱循環(huán)載荷下的尺寸穩(wěn)定性[5]。正是由于碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良力學(xué)性能、熱學(xué)性能，并且性能可設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，使其在航天航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]，與鋁、鋼、鈦一起成為四大結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)復(fù)合材料的用量比已經(jīng)成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一[10]。相比于其它的技術(shù)，采用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行航天航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以減重20%～30%，在所有新技術(shù)應(yīng)用中減重最為明顯[3]。

針對某星載天線反射面的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)全復(fù)合材料天線反射面。對該復(fù)合材料反射面開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)后的天線陣面開展力學(xué)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線反射面為天線陣面的重要組成部分，具有三個方面的主要作用：第一，天線反射面為天線單元陣子的安裝面，其上一共安裝有30個細(xì)長型的天線單元陣子；第二，天線反射面為整個衛(wèi)星天線與衛(wèi)星平臺的連接件，是主要的承力構(gòu)件；第三，天線反射面還是星載天線的信號反射面?；谝陨先齻€方面的作用，將天線反射面設(shè)計(jì)為天線反射板、對接環(huán)和加強(qiáng)筋三個主要部分。

天線反射板的設(shè)計(jì)除了常規(guī)的機(jī)械連接設(shè)計(jì)外，主要考慮增加其垂向抗彎剛度。一方面，30個細(xì)長型天線單元陣子安裝在天線反射板上，而該細(xì)長型的天線單元陣子其基頻較低，在衛(wèi)星的發(fā)射過程會產(chǎn)生明顯的振動，提高天線反射板的垂向抗彎剛度有利于降低天線單元陣子的振動響應(yīng)；另一方面天線反射板作為衛(wèi)星天線的電反射面，對平面度有著較高的精度要求，提高天線反射板的剛度可以保證衛(wèi)星天線在空間熱環(huán)境下保持較高的平面度。提高天線反射面剛度可以通過提高反射板的厚度，以及優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置來實(shí)現(xiàn)。

對接環(huán)為天線反射面中與衛(wèi)星平臺進(jìn)行連接的部件，因此其需要保證足夠的剛強(qiáng)度，以保證衛(wèi)星天線在發(fā)射過程不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和變形，為此對接環(huán)采用了槽型截面構(gòu)成的環(huán)形對稱結(jié)構(gòu)。對接環(huán)尺寸主要影響反射板懸出部分的垂向抗彎剛度，以及系統(tǒng)整體的垂向剛度。如前所述，其尺寸過小，反射板懸出部分的垂向抗彎剛度不足將造成天線陣子振動響應(yīng)明顯放大；而其尺寸過大，將導(dǎo)致系統(tǒng)整體垂向剛度降低，這會造成在垂向載荷下整體力學(xué)響應(yīng)過大。因此在對接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中需要對兩者進(jìn)行均衡考慮。

基于力學(xué)仿真優(yōu)化技術(shù)對反射板的厚度、對接環(huán)的尺寸，以及加強(qiáng)筋的位置進(jìn)行了優(yōu)化配置。最終設(shè)計(jì)完成的天線反射面的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中反射面高30 mm，直徑為1 880 mm，對接環(huán)高115 mm，外接直徑1 450 mm。

圖1 天線反射面結(jié)構(gòu)

2 反射面復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

該天線反射面為航天結(jié)構(gòu)件，在發(fā)射主動段其承受的力學(xué)環(huán)境極為惡劣，因此其對結(jié)構(gòu)輕量化和可靠性的要求極為苛刻。采用復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但能夠收到很好的經(jīng)濟(jì)效益，還可以增加結(jié)構(gòu)抗破壞能力。特別是復(fù)合材料的整體成型技術(shù)，可以有效地減小連接，提高結(jié)構(gòu)可靠性；并且復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗疲勞特性都優(yōu)于鋁、鈦等其他航天材料，能夠極大提高結(jié)構(gòu)可靠性。

該天線反射面采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)。主反射板采用復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，由兩個強(qiáng)度和剛度較大的蒙皮和中間輕質(zhì)、較厚的芯材粘接組成。中間的蜂窩芯材，分隔上下蒙皮，使兩者保持了一定的間距，增加了夾芯結(jié)構(gòu)的慣性矩，有效地提高結(jié)構(gòu)的抗彎和抗扭剛度，但是整體質(zhì)量增加較小，從而提高了結(jié)構(gòu)比剛度和比強(qiáng)度。反射板的蒙皮采用M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)4層，厚度為0.5 mm，鋪層順序?yàn)閇0/45/90/-45]；夾芯結(jié)構(gòu)的芯材為鋁蜂窩材料，厚度39 mm。對接環(huán)為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)8層，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0]s，厚度為3 mm。加強(qiáng)筋條為M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，鋪設(shè)8層，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0]s，厚度為2 mm。整個天線反射面的質(zhì)量為46 kg。

各鋪層均采用M55J碳纖維單向預(yù)浸料鋪設(shè)，M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料單向板的力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能表

3 有限元分析驗(yàn)證

為了校核該復(fù)合材料天線反射面的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，采用有限元分析手段對其基頻和各種力學(xué)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行校核，這里主要考察M55J碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度。

3.1 力學(xué)環(huán)境條件及要求

天線子系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星平臺的對地板上，其鑒定級的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件如為加速度9g，沿3個軸向；振動試驗(yàn)條件分為正弦掃頻振動和隨機(jī)振動兩種，具體條件分別見表2和表3所示。

表2 SMA天線陣面鑒定級正弦振動試驗(yàn)條件

注：g為加速度單位，1g=9.8 m/s2

3.2 抗力學(xué)環(huán)境要求

抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)要求該衛(wèi)星天線在平行于安裝方向上的基頻大于30 Hz，垂直于安裝方向(Z向)基頻大于100 Hz；并且結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)在可控范圍，不發(fā)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度大于0.25。

表3 SMA天線陣面鑒定級隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

3.3 有限元建模

天線陣面的有限元模型見圖2所示。建模中主反射板蒙皮、對接環(huán)、加強(qiáng)筋等復(fù)合材料與天線單元陣子采用殼單元進(jìn)行模擬，并按照設(shè)計(jì)鋪層對復(fù)合材料鋪層屬性的定義，蜂窩芯采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，對于其中的天線螺旋線、射頻電纜組件、射頻轉(zhuǎn)換器等作為負(fù)載以質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。邊界條件設(shè)置為對接環(huán)與衛(wèi)星平臺的連接法蘭孔上約束6個方向的自由度。

圖2 天線陣面有限元模型

3.4 分析結(jié)果

基于動力學(xué)有限元分析手段，分別對該天線陣面進(jìn)行了模態(tài)分析、加速度過載分析、正弦振動分析和隨機(jī)振動分析。

天線反射面的模態(tài)頻率與振型描述如表4所示，圖3為反射板的垂向一階和二階彎曲振型圖。由分析結(jié)果可見，整個衛(wèi)星天線在水平方向上的基頻為67.4 Hz，為天線單元陣子在水平方向上的一階彎曲；衛(wèi)星天線在垂直方向一階基頻為209.5 Hz，為反射板的彎曲變形模式。由此可見結(jié)構(gòu)的基頻均能滿足水平方向大于30 Hz，垂直方向大于100 Hz的要求。

表5為各種工況下天線反射板的最大應(yīng)力值和位移值；不失一般性，圖4給出了垂向(Z)隨機(jī)振動下，天線陣面的1σ應(yīng)力分布云圖和1σ變形云圖。由分析結(jié)果可見，縱向最大應(yīng)力為280.86 MPa，橫向最大應(yīng)力為10.62 MPa，最大剪切應(yīng)力為18.50 MPa，均要小于材料強(qiáng)度。取安全系數(shù)為1.5，計(jì)算結(jié)構(gòu)安全裕度。計(jì)算結(jié)果表明最小安全裕度為0.42，滿足一般復(fù)合材料安全裕度需要大于0.25的要求。由反射面法向位移結(jié)果，可見最大法向位移為0.53 mm，位移較小，在可控范圍之內(nèi)。力學(xué)仿真分析結(jié)果表明該天線反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各向指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 模態(tài)頻率與振型描述

圖3 反射板一階和二階彎曲的振型

表5 各種工況下天線反射面的最大應(yīng)力和法向最大位移

圖4 垂向隨機(jī)振動下天線陣面的1 σ應(yīng)力分布和變形云圖

4 力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該天線陣面力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，對其進(jìn)行力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，試驗(yàn)包括正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)，整個試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)流程

通過每次試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的對比來判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化，變化是否在可接受的范圍之內(nèi)，并以此進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。具體的做法是：每次試驗(yàn)前后均增加一次低量級的正弦特征掃頻試驗(yàn)，通過對比天線反射面上關(guān)鍵測點(diǎn)處，前后特征掃頻曲線的變化(峰值頻率、峰值大小、前后曲線吻合度等)來判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化，發(fā)生的變化是否在預(yù)期范圍之內(nèi)，并進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷和破壞。特征掃頻的條件為：頻率20～600 Hz，量級為0.5g(1g=9.8 m/s2)，掃頻速率2 oct/min。試驗(yàn)中設(shè)置2個測點(diǎn)，分別為M01和M02，其中M01為最中部天線單元陣子的頂部，主要監(jiān)測天線單元陣子的動力學(xué)響應(yīng)與特征；M02為天線反射板的中部位置處，主要用來監(jiān)測天線反射板的動力學(xué)響應(yīng)與特征。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過程中未聽見異常聲響，且試驗(yàn)完畢后天線陣面的結(jié)構(gòu)外觀目視檢查良好，沒有出現(xiàn)任何外觀上的損傷。通過每次試驗(yàn)前后關(guān)鍵測點(diǎn)M01和M02的特征掃頻曲線對比可見，特征曲線吻合較好，振動峰值的頻率和大小均沒有發(fā)生明顯變化，不失一般性。圖6給出了橫向(X向)正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)，測點(diǎn)M01的3次特征曲線對比圖；圖7給出了垂向(Z向)正弦振動和隨機(jī)振動試驗(yàn)，測點(diǎn)M02的3次特征掃頻曲線對比圖。

圖6 橫向(X向)振動時M01測點(diǎn)3次特征掃頻曲線對比

圖7 垂向(Z向)振動時M02測點(diǎn)3次特征掃頻曲線對比

另外由圖6中測點(diǎn)M01特征曲線還可以得出，該天線在水平方向上振動時，其一階峰值頻率為68.9 Hz，也就是天線水平方向上的基頻試驗(yàn)結(jié)果為68.9 Hz，大于30 Hz的設(shè)計(jì)要求；同樣由圖7中測點(diǎn)M02特征曲線可見，該天線在垂直方向上的基頻為208.7 Hz，大于100 Hz的設(shè)計(jì)要求。由此可見，該天線陣面經(jīng)受住了振動環(huán)境試驗(yàn)的考核，且各向指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并且由天線陣面基頻的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比可見，仿真與試驗(yàn)吻合良好。

5 結(jié)束語

針對某星載天線重量要求輕、平面精度和尺寸穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)，對其進(jìn)行復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗力學(xué)環(huán)境驗(yàn)證工作。

分別從天線陣面的整體結(jié)構(gòu)形式、復(fù)合材料鋪層、加強(qiáng)筋的布置位置等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且通過仿真分析和力學(xué)試驗(yàn)對該天線陣面進(jìn)行了指標(biāo)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該天線反射面的橫向和垂向基頻分別為67.4 Hz和209.5 Hz，結(jié)構(gòu)的最小安全裕度為0.42，均滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且該天線陣面順利通過了鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的考核，該天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可行。另外，由試驗(yàn)測試基頻和仿真分析基頻對比可見，仿真分析較好地預(yù)測了試驗(yàn)結(jié)果，可見仿真分析能為該類型天線陣面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的支撐。