星載大口徑反射器組件雙向調節(jié)低應力裝配膠接技術 ①

張 璇，陳維強，路 江，孫天峰，崔志剛，沈宇新，李健龍，董宇晨

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100021)

0 引言

航天器的空間活動中要進行空間與地面、航天器之間乃至深空或星際間的通信及各種信息的無線傳輸。天線是這些信息在空間傳輸?shù)奈ㄒ还ぞ?，天線不僅參與了無線信道的建立，還參與著信號的傳遞和處理。天線分系統(tǒng)是航天器有效載荷的關鍵部分，其性能的好壞直接關系到整個衛(wèi)星的性能，乃至航天器任務的成敗。

在20世紀90年代初，“信息戰(zhàn)爭”的概念得到確立，認為未來的戰(zhàn)爭將是“信息戰(zhàn)爭”，奪取制信息權和制天權是未來戰(zhàn)爭取勝的關鍵[1]。以偵察衛(wèi)星、預警衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和導航衛(wèi)星為代表的衛(wèi)星系統(tǒng)是奪取信息優(yōu)勢的重要武器。因此，在今后20年里，國內的軍事衛(wèi)星將朝著大型化、長壽命、機動靈活、抗干擾的方向發(fā)展。其中，大口徑高精度反射器天線是此類衛(wèi)星有效載荷的核心單機，其性能直接影響到數(shù)據(jù)反演的精度和準確度。

大口徑高精度反射器的性能核心指標在于反射面成型精度及反射面型面精度穩(wěn)定性兩方面，目前大口徑高精度反射器研制的精度指標仍存在不穩(wěn)定問題[2]。

本文提出了通過設計一種雙向自由調節(jié)裝置，保證反射器本體型面自由支撐狀態(tài)下，通過調節(jié)背部接口，完成組件裝配，最大限度降低反射器本體型面受力，降低反射器組件裝配過程受力對型面精度的影響，確保反射器成型型面的高精度成型，實現(xiàn)反射器組件的低應力膠接裝配。基于此技術方法，能夠有效降低反射器型面精度在裝配階段的損失，提高星載大口徑高精度反射器的研制精度。

1 大口徑反射器低應力膠接裝配技術

大口徑星載天線反射器典型結構如圖1所示[3]，主要組成部分包含：1)曲面碳面板蜂窩夾層結構[4]的反射器本體，其內表面型面精度為天線反射器實現(xiàn)信號傳輸?shù)年P鍵；2)背面加筋結構，由單個碳面板夾層結構平板件組成的框架結構，用于實現(xiàn)反射器結構增強，提高反射器結構剛性，同時對外提供連接、裝配接口。

圖1 某型天線反射器結構示意圖

針對此類帶背架結構的星載大口徑反射器，通常采用反射器本體扣裝于金屬支撐模具上，然后再將背架與反射器面進行膠接裝配，該方法主要問題在于：

1) 最終造成背架接口與反射器本體的型面擬合焦點不匹配，造成接口精度差；

2) 損失反射器型面精度，造成低精度反射器研制結果；

3) 裝配過程、重力、加壓載荷均施加在反射器本體上，造成反射器本體受力，形成內應力；再經(jīng)歷溫度、振動考核等試驗后，應力釋放，造成型面變形，是反射器研制型面精度穩(wěn)定性差的一個主要影響因素。

且該工藝方法，無法對反射器面形變過程進行監(jiān)測，不能以反射器本體真實型面數(shù)據(jù)為參照進行結構裝調?；谝陨戏治觯疚牟捎昧艘环N全新的膠接裝配技術，該技術方法包含以下兩方面。

1.1 雙調節(jié)裝配機構設計

設計一種口面朝上支撐反射器型面的機構，該機構具備兩套支撐平臺：一套如圖2、圖3所示，為反射器面支撐平臺，采用微重力傳感器支撐，支撐點可根據(jù)反射器構型差異選取不同的支撐點，實現(xiàn)對反射器型面的支撐，確保支撐過程此反射器型面達到最優(yōu)狀態(tài)；一套如圖4所示，根據(jù)背架框架結構，以背架交叉點為支撐點放置背架接口，并可通過伸縮螺桿、調節(jié)支撐機構位置實現(xiàn)對背架結構的裝調。

圖2 微重力傳感器支撐組示意圖

圖3 反射器支撐組件裝配示意圖

通過雙調節(jié)裝配機構的設計，可最大程度保證反射器本體不受裝夾裝備的夾持應力。同時，口面朝上狀態(tài)，保證其僅受自身重力載荷，與反射器本體檢測狀態(tài)及存放狀態(tài)基本保持一致。通過該裝置的應用，最大程度降低了反射器裝配應力，可實現(xiàn)反射器的低應力膠接裝配。

圖4 背架支撐組件裝配示意圖

1.2 裝調數(shù)據(jù)在線監(jiān)測

口面朝上裝配過程，關鍵是通過微重力應力傳感器數(shù)據(jù)結合反射器型面精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對反射器本體最佳位置的裝調，保證反射器本體不因重力偏載，造成局部變形，導致型面精度數(shù)據(jù)偏差過大。

表1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

裝調過程主要為：

1) 根據(jù)反射器本體構型選取均布環(huán)向支撐點進行反射器本體支撐；

2) 調節(jié)微重力傳感器，保證支撐點受到的重力加載一致；

3) 通過采用攝影測量檢測手段，對反射器型面精度數(shù)據(jù)進行確認；

4) 固定反射器本體最佳放置位置后，將型面數(shù)據(jù)進行擬合轉移，從而基于擬合轉移數(shù)據(jù)，調整背架位置。

通過在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測各支撐點傳感器數(shù)據(jù)偏差不大于0.1 g，型面校準點坐標值數(shù)據(jù)變動偏差不大于1 mm，可以實現(xiàn)反射器本體型面在不受外在加載應力情況下，保持最佳狀態(tài)，最大限度降低了膠接裝配過程的型面精度損失，具體數(shù)據(jù)如表1所列。

2 驗證結果

本文所采用的星載大口徑反射器低應力膠接裝配技術在某型口徑2.4 m × 2.6 m的星載大口徑反射器研制中應用。該產(chǎn)品反射器本體型面精度數(shù)據(jù)如圖5所示，X、Y、Z軸向型面偏差RMS分別為0.008 6、0.010 2、0.111 6，型面精度RMS為 0.112 4 mm。經(jīng)過采用口面朝上雙調節(jié)裝配機構的支撐應用及在線數(shù)據(jù)監(jiān)測裝調后，最終裝配膠接后的型面精度數(shù)據(jù)如圖6所示，X、Y、Z 軸向型面偏差RMS 分 別 為 0.010 4、0.010 8、0.123 3，最佳擬合后型面精度RMS為0.124 2 mm。型 面 精 度 損 失 為0.011 8 mm。

圖5 某型反射器本體型面精度檢測數(shù)據(jù)云圖

圖6 某型反射器組件型面精度檢測數(shù)據(jù)云圖

反射器結構裝配過程中，除了受常規(guī)裝夾應力外，也存在復合材料內應力釋放、結構膠接固化收縮應力等不可控因素影響，就總體而言，通過低應力膠接裝配技術的應用，可最大程度降低裝配應力對型面精度的影響。

3 結論

傳統(tǒng)反射器組件裝配過程主要通過將反射器本體放置在支撐工裝上，口面朝下，背面安裝組件背部支撐結構產(chǎn)品，操作過程反射器受力情況不可控，且無法及時監(jiān)測反射器型面變化。本文提出了一種口徑大于1.5 m的星載大口徑高精度反射器的低應力膠接裝配技術，實現(xiàn)反射器組件的低應力膠接裝配。最終產(chǎn)品型面精度相較于本體精度RMS為0.112 4 mm，最終裝配膠接后的型面精度數(shù)據(jù)RMS為0.124 2 mm。型面精度損失為0.011 8 mm，相較于傳統(tǒng)大口徑高精度反射器膠接裝配型面精度損失達0.03 mm r.m.s以上，該技術方法對高精度反射器成型具有顯著提高。本文的研究可以為以后其他類型的星載天線反射器的研制生產(chǎn)提供參考。但是該技術方法在應用過程中還存在以下不足，后續(xù)還需要繼續(xù)優(yōu)化改進：

1)在線檢測裝調過程占用檢測設備資源時間過長，需尋求快速透點檢測設備或者激光投影設備進行型面監(jiān)測的替代研究；

2)由于大口徑的星載反射器多為復合材料薄壁結構，自身剛性較弱，不同構型反射器的背面支撐點的選取，對反射器本體型面精度影響較大。目前主要采用經(jīng)驗選取支撐點位置，造成調節(jié)周期較長，缺少選點支撐位置的理論支持，后續(xù)還需要對反射器不同支撐點位置與型面精度關系開展相關研究。