大尺寸碳纖維網(wǎng)狀天線反射板工藝研制

郝玉　劉圖遠(yuǎn)　吳文平　陳飛　邵勁力

摘 要：以網(wǎng)狀天線反射板尺寸4 897 mm×1 672.3 mm為例，通過設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，在工藝特點(diǎn)分析和工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，采用碳纖維網(wǎng)格面板，常溫膠粘劑固化和金屬埋件后定位的方式，制備的反射板質(zhì)量降低25.7%，型面精度和孔位精度均滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了反射板結(jié)構(gòu)功能一體化的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：碳纖維網(wǎng)格;網(wǎng)狀天線反射板;后定位;型面精度

中圖分類號(hào)：TQ327.1;TN820.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0048-04

Fabrication of large carbon fiber mesh antenna reflector

Abstract： This paper takes the mesh antenna reflector with the size of 4 897 mm×1 672.3 mm as an example. Through the optimization of the design scheme， the process method was optimized on the basis of analysis of process characteristics and process test. The weight of the prepared reflector was reduced by 25.7% by using carbon fiber mesh panel， normal temperature adhesive curing and metal embedded positioning. The precision of the surface and the precision of the hole location meet the design requirements， and the goal of the integration of the structure and function of the reflector is realized.

Key words： carbon fiber mesh;mesh antenna reflector;embeded positioning; Surface precision

天線是航天器與地面、航天器之間信息傳遞的重要工具，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各類通訊衛(wèi)星上已經(jīng)使用較高頻率（60 GHz～200 GHz）的拋物面天線[1]。天線在設(shè)計(jì)中要最大程度上實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高剛度，同時(shí)還要滿足高型面精度，通過結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，可以提高載荷在球載總質(zhì)量中的質(zhì)量比，實(shí)現(xiàn)天線功能的最大化。可以說，結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)是天線系統(tǒng)的必然方向[2]。

目前研制的天線反射板多為金屬絲網(wǎng)的柔性受力系統(tǒng)，具有易折疊，收納率高的優(yōu)點(diǎn)，在金屬網(wǎng)狀天線反射板中，金屬網(wǎng)的張力點(diǎn)、張力水平對(duì)天線反射板的保形能力、型面精度、展開的平穩(wěn)性與可靠性均具有顯著影響，便于組合各種可展開的結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)大口徑。但是金屬絲一般是由不銹鋼、鉬、鎢這三種材料的超細(xì)絲加工而成的，同時(shí)對(duì)金屬絲的要求比較高，比如金屬絲網(wǎng)布應(yīng)具有良好的多向彈性，縱向和橫向延伸率應(yīng)盡可能地接近，其拉伸斷裂負(fù)載一般不小于1 kg/cm，斷裂伸長率不超過50%，網(wǎng)布應(yīng)超薄、超輕，其編織結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的可折疊性、抗皺性和抗松散性等[3～5]。

本文研制的網(wǎng)狀天線反射板，結(jié)構(gòu)如圖1所示，有碳纖維網(wǎng)格面板、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架組成，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架內(nèi)設(shè)埋件接口，用鋁基膠帶對(duì)框架進(jìn)行封邊，并用常溫膠粘劑進(jìn)行膠接，縮短了成型周期，并且蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度大、比剛度高、熱變形小和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。

網(wǎng)狀天線反射板設(shè)計(jì)要求為：尺寸4 897 mm×1 672.3 mm，厚度45 mm的曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求型面精度RMS≤0.30 mm，對(duì)于大尺寸天線反射板來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，反射板內(nèi)預(yù)埋件需要膠接在蜂窩夾層背架中，預(yù)埋件中心線與反射板拋物線誤差<0.1°，天線反射板之間通過鉸鏈與預(yù)埋件的組合實(shí)現(xiàn)折疊功能，因此預(yù)埋件的精度控制非?？量?。

1 網(wǎng)狀天線反射板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 材料的選擇

航天產(chǎn)品要求其構(gòu)件最大程度上實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同時(shí)還要滿足設(shè)計(jì)所需要的強(qiáng)度和剛度要求。與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料（CFC）密度低、并且具有最佳的比強(qiáng)度和比模量搭配，更易滿足球載設(shè)備的機(jī)械性能要求，同時(shí)具有一定的電磁波反射能力，符合通信偵察和雷達(dá)偵察系統(tǒng)的電訊性能指標(biāo)[3]。

為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕的目標(biāo)，天線反射面板舍棄傳統(tǒng)的蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用碳纖維網(wǎng)格面板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架裝配而成，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)包含鋁合金金屬埋件，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，反射板質(zhì)量降低了27.9%。

1.2 膠粘劑的選擇

在航天材料膠接裝配中，膠粘劑起到了至關(guān)重要的作用，不僅要保證航天產(chǎn)品的膠接性能，還要滿足航天產(chǎn)品在太空等環(huán)境下的使用性能。

天線反射板型面為拋物面曲線，在裝配過程中，受重力的影響會(huì)產(chǎn)生曲面翹曲變形的現(xiàn)象，同時(shí)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格面板的膠接部位會(huì)有脫粘以及缺陷產(chǎn)生。此外，該天線反射板中設(shè)置鋁合金材料的接口埋件，碳纖維熱膨脹系數(shù)為-0.82×10-6 K-1，鋁的熱膨脹系數(shù)為27×10-6 K-1，兩者膨脹系數(shù)差別較大。因此要選用韌性好的膠粘劑將剪切應(yīng)力在面板和夾層結(jié)構(gòu)之間傳遞，減少膠接過程中的固化應(yīng)力，避免脫粘，減少膠接缺陷，同時(shí)膠粘劑要有足夠的膠接強(qiáng)度來保持天線反射板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。

膠粘劑的固化是膠粘劑中的分子在一定溫度下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程，固化過程也是膠粘劑各組分體積收縮的過程。根據(jù)膠粘劑固化溫度的不同，航天用膠粘劑可分為常溫膠、中溫膠和高溫膠。航天領(lǐng)域典型膠粘劑物理參數(shù)如表1所示。

采用中高溫度膠粘劑，固化后碳纖維與金屬埋件之間熱膨脹差異，產(chǎn)品平面度和孔位精度無法滿足設(shè)計(jì)要求。該反射板采用常溫膠粘劑，減少溫度差引起的翹曲變形。Raldite420AB膠粘劑是一種標(biāo)準(zhǔn)慢干固化，多功能，雙組分，環(huán)保，室溫固化的糊狀膠粘劑，固化后具有高剪切、高剝離強(qiáng)度、韌性好、彈性好、防水、耐氣候、抗化學(xué)侵蝕和無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域，特別是航天結(jié)構(gòu)件大面積和多部件的粘接。

2 工藝方案的研制

天線反射板是由碳纖維網(wǎng)格面板、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)裝配而成的板殼類結(jié)構(gòu)，自身剛性及膠接裝配應(yīng)力對(duì)型面精度影響大，所以要進(jìn)行工藝方法的優(yōu)化。天線反射板中網(wǎng)格面板采用規(guī)格4 mm×4 mm的T800碳纖維復(fù)合材料，厚度0.2 mm;蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板材料為M46/A11;面板與蜂窩使用常溫Raldite420AB膠粘結(jié)劑，采用均勻涂膠的工藝方法，抽真空固化，為保證孔位精度，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的埋件采取后埋的方式裝配，工藝流程如圖2所示。

3? 產(chǎn)品制備工藝

天線反射板的型面精度是產(chǎn)品的重要指標(biāo)，為保證型面精度，在天線反射板生產(chǎn)過程中，進(jìn)行工藝方法的優(yōu)化，整個(gè)裝配過程全部為無應(yīng)力裝配。

3.1 模具設(shè)計(jì)

天線反射板型面為曲面結(jié)構(gòu)，為滿足產(chǎn)品型面精度的要求，反射器型面精度很大程度上取決于模具的最終狀態(tài)，模具型面按產(chǎn)品使用面曲面模型設(shè)計(jì)，采用通用平臺(tái)+曲面型面+側(cè)面定位塊的凸模結(jié)構(gòu)，如圖3所示。因常溫膠粘劑膠結(jié)，材料的膨脹系數(shù)差異可以忽略，通過以下參數(shù)來保證模具型面精度和孔位精度。

（1）在模具側(cè)邊設(shè)計(jì)模具加工及測量基準(zhǔn)塊，定位塊直接定位安裝平面和安裝孔。模具定位孔位精度偏差±0.05。

（2）型面精度RMS≤0.1mm（含側(cè)邊模具基準(zhǔn)、接口定位模塊）;

（3）加工產(chǎn)品輪廓線，模具非工作面區(qū)加工鋪層角度刻線、中心刻線;

（4）模具整體滿足常溫氣密要求。

（5）該模具尺寸為5 m×2 m，為保證模具精度穩(wěn)定性，通用平臺(tái)使用前按要求使用3個(gè)等高塊三點(diǎn)支撐，并復(fù)測平面度≤0.1 mm;

（6）曲面組件制真空袋壓緊在通用平臺(tái)上，使用過程中保持抽真空狀態(tài)，要求真空度≤-0.095 MPa。

3.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)裝配

為減少膠接裝配過程中保證產(chǎn)品型面精度，減少膠液用量，工藝方法首先膠接裝配蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架，在模具型面上鋪與碳纖維網(wǎng)格面板同等厚度的F4布代替碳纖維網(wǎng)格面板，蜂窩芯子和上下蒙皮之間采用刷膠的工藝方法，抽真空固化，蜂窩夾層背架呈X狀。對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行型面精度的測量。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)放置在模具上3 d以上，釋放膠接應(yīng)力，如圖4所示。

3.3 網(wǎng)格面板與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)裝配

為保證天線反射板型面精度，網(wǎng)格面板與模具型面貼合至關(guān)重要。在膠接裝配過程中，在模具型面涂刷1層J-133/丙酮（1∶1）的膠液，然后將面板通真空袋壓定型在模具型面上，抽真空進(jìn)行預(yù)定型，保證網(wǎng)格面板與模具貼合。脫模后整體放在模具上3～5 d，使型面穩(wěn)定。

3.4 金屬埋件的定位和裝配

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，反射板中設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的接口金屬埋件，8種結(jié)構(gòu)的孔位埋件，分布在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架中，其接口尺寸精度和孔位精度要求較高，為防止預(yù)埋件在裝配中發(fā)生位移，以及蜂窩夾層背架中的預(yù)埋件引起面板擠壓變形，影響尺寸穩(wěn)定性，本工藝方法采用埋件后埋的定位方式，用工裝定位塊和螺釘、銷釘定位來保證精度。

3.5 型面精度測量

如圖5所示，將天線反射板在特制模具上吊掛測量，進(jìn)一步釋放重力對(duì)型面精度的影響，經(jīng)過擬合得到型面精度RMS值為0.24，網(wǎng)格面板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)背架無脫粘和鼓包。

4 結(jié)語

本文對(duì)網(wǎng)狀天線反射板進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種大尺寸碳纖維網(wǎng)格天線反射板，實(shí)現(xiàn)了航天器產(chǎn)品質(zhì)量輕、型面精度高，通過對(duì)工藝方法的優(yōu)化，采用常溫膠接固化成型，保證型面精度，采用后埋的定位裝配方式，保證反射板的孔位精度，滿足設(shè)計(jì)要求，數(shù)值如下：

（1）碳纖維網(wǎng)格天線反射板尺寸4 897 mm× 1 672.3 mm;

（2）重量10.4 kg，降低了25.7%;

（3）該碳纖維網(wǎng)格天線反射板型面精度為0.24。

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收稿日期：2021-07-09;修回日期：2022-04-19

作者簡介：郝 玉（1990-），女，碩士，工程師，研究方向：航天領(lǐng)域天線結(jié)構(gòu)裝配工藝;E-mail：haoyu468@163.com。