某衛(wèi)星天線高精度復合材料反射器成型工藝

張靜

摘? 要：復合材料以其優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的熱穩(wěn)定性、結構可設計性等特點，在航空航天領域已經得到了廣泛的應用。本文主要針對某型號衛(wèi)星天線高精度復合材料反射器熱壓罐成型工藝技術，從工裝材質的選擇及設計方案、蒙皮鋪層設計及鋪貼方法、蜂窩芯拼接方案、壓力墊制作方案、固化程序等多方面對反射器的工藝方案進行優(yōu)化，并經過實際生產驗證，最終產品型面精度、力學性能等指標均達到了設計技術要求。

關鍵詞：天線? 反射器? 復合材料? 成型工藝

中圖分類號：TB33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0001-05

The Forming Process of a High Accuracy Composite Antenna Reflector

Zhang Jing

（AVIC Xi'an Aircraft industry Group， Composite Material Factory， Xi'an， Shaanxi Province， 710089? China）

Abstract： Composites have been widely used in the field of aerospace because of their excellent corrosion resistance， good thermal stability and structural designability. This paper mainly focuses on the hot pressing tank forming technology of high-precision composite reflector for a certain type of satellite antenna. From the selection and design scheme of tooling materials， skin composites have been widely used in the field of aviation and aerospace because of their excellent corrosion resistance， good thermal stability and structural designability. Aiming at the hot pressing tank forming technology of a high-precision composite reflector for a certain type of satellite antenna， this paper optimizes the process scheme of the reflector from the aspects of tooling material selection and design scheme， skin ply design and paving method， honeycomb core splicing scheme， pressure pad manufacturing scheme， curing procedure and so on. After practical production verification， the surface accuracy of the final product， the mechanical properties and other indexes meet the design technical requirements.

Key Words： Antenna; Reflector; Composite material; Forming process

近年來，隨著科學技術的不斷進步，材料技術得到了飛速發(fā)展。復合材料作為一種新型材料，具有高比強度、高比模量、耐熱、耐腐蝕、耐疲勞、隱身性好等獨特性能，在航空航天、汽車、兵器、電子、建筑、醫(yī)療等領域得到了廣泛應用。先進復合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結構材料之一，其用量已成為航空航天結構的先進性標志之一。

衛(wèi)星結構的輕量化對衛(wèi)星功能和發(fā)射成本的影響至關重要，而選用復合材料是實現(xiàn)衛(wèi)星結構輕量化的有效途徑。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)（ 太陽能電池基板、框架）、天線系統(tǒng)、各種支撐結構件等已基本上做到了復合材料化。而隨著衛(wèi)星制造技術的發(fā)展，復合材料天線的精度等級要求愈來愈高。對于大尺寸、高型面精度的天線來說，復合材料構件的變形控制是當務之急。本文主要針對某型號衛(wèi)星天線高精度復合材料反射器熱壓罐成型工藝，從工裝材質的選擇和設計方案、壓力墊的選擇、蒙皮鋪層設計及鋪貼方法、蜂窩芯拼接方案、固化程序等多方面對反射器的工藝方案進行優(yōu)化，保證了最終產品型面精度等指標滿足設計技術要求。

1? 產品簡介

1.1 產品結構

某衛(wèi)星天線反射器結構如圖1所示。反射器型面為標準拋物面，投影口徑尺寸φ1850mm。反射器和背筋均選擇了比剛度大、比強度較高的碳纖維預浸料P9051F-7面板/有孔鋁蜂窩芯BC1.8-3/8P夾層結構，厚度均為16mm。反射面型面精度RMS要求不大于0.10mm。反射器背面的“井”字背筋和反射器通過結構膠膠接并加強。

1.2 技術要求

該天線反射器關鍵特性在于：反射器首層纖維鋪層方向、反射面型面精度、校準孔及安裝孔位置度等。

反射器隨爐試板的力學性能需滿足表1的性能要求。

2? 工藝方案及流程

2.1 工藝方案

2.1.1 成型工裝的材質選擇及結構設計

熱壓罐成型工藝是復合材料構件的主要制造方法之一。在該方法中，構件的幾何形狀是由成型工裝來保證的。因此，工裝的結構對復合材料構件的最終成型質量有直接的關系。實際生產中，影響復合材料構件成型精度的主要因素是固化過程中的變形。根據變形原因，復合材料構件固化變形可分為3類：熱膨脹系數(shù)不一致導致的變形、化學收縮變形、由模具與構件相互作用導致的變形[1-2]。各類變形在復合材料構件變形中所占的比例如圖2所示。由圖2可知，工裝與零件熱膨脹系數(shù)不一致是造成零件固化變形的主要因素。

目前適用于復合材料熱壓罐成型工藝的模具材料主要有以下幾種：鋁模具、鋼模具、球墨鑄鐵模具、殷鋼模具、復合材料模具，這幾種模具的性能比較詳見表2。

固化過程中模具與構件相互作用機理如圖3所示。成型過程中，由于模具具有較高的熱膨脹系數(shù)使得模具對接近模具的復合材料構件表面層形成一定的張力，這種張力隨著各鋪層離模具越遠張力越小，這樣在構件沿厚度方向形成一定的應力梯度，這個應力在樹脂固化過程中作為殘余應力殘留于固化后的產品內，當脫模時由于這種殘余應力釋放而使得構件變形[3-7]。

以往我們綜合考慮性能和成本的因素， 反射器成型模具的材料以鑄鐵為主。但由于該反射器型面精度要求較高，按照上述復合材料固化變形分析，鑄鐵工裝與碳纖維復合材料產品的熱膨脹系數(shù)較大，會造成固化后產品出現(xiàn)較大變形。按照以往的制造經驗，使用鑄鐵工裝成型的2m口徑的反射器型面精度RMS一般可以控制在0.2～0.25mm。因此，為保證反射器型面精度，成型模具的模體材料選擇殷鋼材質，其他的定位卡板等可使用鋼或者鋁。同時，為保證產品的型面精度和裝配孔位精度，工裝結構采用成型和裝配一體化工裝，即成型膠合夾具，成型模體采用中空薄壁結構，具體形式如圖4所示。

2.1.2 工藝方法的選擇

反射器采用熱壓罐成型工藝，具體選用兩步成型法。

第一，以殷鋼成型模為依據制造一個復材成型模，復材成型模厚度與內蒙皮和蜂窩芯總厚度一致。先將復材成型模固定在殷鋼成型模上，固化成型反射面零件的外蒙皮。然后在殷鋼成型模上固化成型反射面零件的內蒙皮。蒙皮固化可以在較高的固化壓力下進行，這樣可以保證蒙皮表面質量，同時可以降低蒙皮孔隙率。

第二，在成型裝配夾具上將內、外蒙皮及鋁蜂窩芯組合，膠接固化后得到反射面零件。由于反射面使用的蜂窩芯壓縮強度較低，因此組合固化需在較低的固化壓力下進行，以避免蜂窩芯塌陷和收縮等問題。校準預埋件隨零件共固化。其他埋件和背筋通過成型膠合夾具上的定位板進行定位，使用結構膠進行室溫粘接。

2.1.3 壓力墊的選擇

由于反射器為拋物面結構，一般的金屬勻壓板難以保證與零件表面的良好貼合，因此選用復合壓力墊，即AIRPID與玻璃纖維預浸料復合結構。在反射器成型模具上分別制作一個上、下蒙皮的壓力墊，壓力點材料使用兩層AIRPID之間鋪貼一層玻璃纖維預浸料，使成型后的壓力墊與零件表面良好貼合且具有一定的剛性。在蒙皮及反射面零件固化過程中，壓力墊可起到均勻傳壓的作用，確保蒙皮受壓均勻、厚度一致。

2.1.4 蒙皮鋪層設計及鋪貼方法

按照復合材料鋪層設計準則，整體鋪層須對稱于中性面，同時遵循均衡性原則，從而避免固化過稱中的剪拉耦合和拉彎耦合，防止固化后出現(xiàn)翹曲變形。因此，反射器內、外蒙皮均為4層P9051F-7預浸料，鋪貼順序按0°/45°/-45°/90°對稱，具體如圖5所示。

蒙皮鋪層采用窄帶鋪貼，窄帶寬度使用40mm，數(shù)控下料機下料，使蒙皮鋪層的纖維角度偏差嚴格控制在±1°內。在成型膠合夾具工作面余量區(qū)畫出[0°/45°/-45°/90°]鋪層角度基準線，同時采用工藝樣板嚴格控制鋪層角度，保證預浸料鋪層角度偏差在±3°以內，減小鋪層角度誤差對零件變形的影響。蒙皮鋪貼過程中每一層都必須進行抽真空壓實，避免蒙皮層間夾雜氣泡，保證蒙皮與模胎型面完全貼合。

2.1.5 蜂窩芯拼接方案

由于反射器拋物面焦深較大，使用整塊蜂窩芯進行鋪貼時與蒙皮貼合狀態(tài)較差，固化過程中產生的內應力較大，會造成固化后零件產生較大變形。因此，蜂窩芯分5塊進行對稱拼接，具體拼接方法如圖6，以減小反射面成型過程中的應力變形。

2.1.6 固化程序優(yōu)化

復合材料構件在熱壓罐成型過程中，溫度場對復合材料構件成型質量及型面精度的控制至關重要。固化過程中，由于環(huán)境溫度的變化及自身的固化反應產生的化學放熱，使復合材料構件內部產生復雜的溫度梯度，這種不均勻的溫度梯度，不僅會引起復合材料的固化不均勻，而且還將引起殘余應力和變形。因此，在反射器固化過程中，通過下述措施來降低構件固化過程中的溫度梯度以及固化后內應力的消除。

第一，反射器組合固化時，在零件表面鋪放4～6層透氣織物，2～3層石棉布，降低靠模面和靠袋面的溫差。

第二，反射器內、外蒙皮固化和二次膠接過程中的升溫速率要求不大于2℃/min，降溫速率不大于1℃/min，反射面組合膠接固化時，零件的出爐溫度應不大于50℃。較低的降溫速率能夠減小構件的固化變形量。

第三，反射器出罐后不拆袋，在室溫下持續(xù)抽真空7～15d，對反射器進行室溫時效處理，確保固化過程中產生的內應力得以充分釋放。

2.2 工藝流程

反射器成型工藝流程如圖7所示。

3? 產品測試

3.1 型面檢測

通過攝影測量法對固化后反射面的型面精度進行測量，最終型面精度0.08mm（RMS），符合設計要求。

3.2 無損檢測

采用超聲收發(fā)法對固化后產品進行了無損檢測，膠接質量完全符合技術條件要求。

3.3 隨爐試板

反射器成型過程中，同爐制作了隨爐試板，并對隨爐試板的力學性能進行了檢測，具體結果如表3所示。

4? 結語

通過從工裝材質選擇及設計方案、壓力墊的選擇、蒙皮鋪層結構及鋪貼方法、蜂窩芯拼接方案、固化程序等多個方面對反射器的工藝方案進行分析和優(yōu)化，最終保證了產品型面精度等指標滿足設計技術要求。

在高精度復合材料衛(wèi)星天線反射器制造和應用方面，我國目前較國外發(fā)達國家還有一定的差距，同時制造過程中自動化技術的應用仍處于探索階段。為提高先進復合材料在高精度天線反射器上的應用水平，需要進一步加強設計單位與制造單位的深度合作，積極開展相關技術預研，加快研究成果向實際生產的轉化。

參考文獻

[1] 饒水林.復合材料雷達罩熱壓罐成型變形分析及其補償技術研究[D].江西：景德鎮(zhèn)陶瓷大學，2016.

[2] 丁安心，李書欣，倪愛清，等.熱固性樹脂基復合材料固化變形和殘余應力數(shù)值模擬研究綜述[J].復合材料學報，2017，34（3）：471-485.

[3] 鄺起智.模具對復合材料構件固化變形的影響探究[J].科技風，2019（1）：158.

[4] 李奇輝，徐小偉.大長徑比薄壁復合材料零件的熱壓罐成型模具設計[J].模具工業(yè)，2020（4）：53-54.

[5] 祝君軍，文瓊華，羅輯，等.模具形式對V型結構復合材料的固化變形的影響[J].宇航材料工藝，2018（5）：44-48.

[6] 劉德博，湛利華，丁星星，等.模具表面狀態(tài)對復合材料構件固化變形的影響[J].宇航材料工藝，2019（1）：64-67.

[7] 岳廣全，張博明，杜善義，等.模具對熱固性樹脂基復合材料固化變形的影響[J].玻璃鋼/復合材料，2010（5）：62-65.