某高精度星載主反射面天線制備工藝

王磊，韓如冰，符偉，劉德禮

(1.湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司，長沙 410205； 2.上海無線電設備研究所，上海 201109)

隨著衛(wèi)星通信和軍事現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展[1]，衛(wèi)星通信天線作為衛(wèi)星通信的核心部分之一，對衛(wèi)星通信天線也提出了更高的增益和指向精度等電性能標準[2]。高精度碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)反射面天線具有輕質(zhì)高強、熱穩(wěn)定性好、頻率范圍寬等特點，已廣泛應用于反射面天線的結(jié)構(gòu)設計中[3-4]。如何從制備工藝上實現(xiàn)反射面天線凹面高型面精度和高裝配精度具有重要的研究意義。

張娟娟等[5]進行了模具材料和數(shù)控加工試驗，發(fā)現(xiàn)制備高精度反射面天線的優(yōu)選模具材料是殷鋼，原位轉(zhuǎn)化加工可提高型面精度。張建柯等[6]采用熱縮放技術(shù)對模具工作面進行補償，對天線固化參數(shù)進行試驗優(yōu)化研制了一種高精度碳纖維反射面天線。徐小偉等[7]通過工藝試驗，采用鋪層定位預壓實和熱穩(wěn)定化去應力處理制備的反射面天線型面精度較高。沃西源等[8]進行合理選材、準各向同性鋪層和加強質(zhì)量控制，可使型面精度均方根差(RMS)≤0.16 mm。劉明昌等[9]通過鋪層等剛度設計、成型工裝的均壓傳遞等手段成型出高精度反射面天線。

筆者以某高精度星載主反射面天線為例，根據(jù)CFRP反射面天線的工程制造經(jīng)驗，結(jié)合CFRP主反射面天線在軌線熱變形特點，從模具設計、模具熱分布、背筋與反射面主體膠接和組合加工等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，得到一種高精度星載主反射面天線。

1 主反射面天線結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標

1.1 基本結(jié)構(gòu)

主反射面天線要求除具有在最大程度上實現(xiàn)輕質(zhì)的特點外，在隨衛(wèi)星發(fā)射過程中需要經(jīng)歷復雜的力學環(huán)境，因此必須具有足夠的剛度和強度。對于天線產(chǎn)品而言，在結(jié)構(gòu)設計中，需要根據(jù)承載路徑和電性能要求進行迭代[10]，確保結(jié)構(gòu)的安全裕度。

主反射面天線采用M55 J/BA9913[纖維質(zhì)量分數(shù)為(60±3)%]CFRP 蒙皮/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，包括:內(nèi)蒙皮、鋁蜂窩、外蒙皮、背筋、饋源埋件和對外接口埋件，見圖1。

圖1 主反射面天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)指標

主反射面天線主要技術(shù)指標如下。

(1)主反射面天線母方程。

式中:Z為自變量；X為因變量。

式(1)表示關(guān)于Z軸和X軸的標準拋物線方程，焦點為(300，0)，沿Z軸旋轉(zhuǎn)360°的拋物面。

拋物面凹面型面精度RMS≤0.05 mm。

(2)裝配精度。

對外接口安裝面的共面度0.02 mm，對外接口安裝面上孔中心位置度?0.1 mm，對外接口安裝面與主反射面軸線垂直度0.02 mm，饋源安裝面上孔中心位置度?0.1 mm，饋源安裝面與主反射面軸線垂直度0.02 mm。

2 主反射面天線制備工藝流程

根據(jù)主反射面天線自身的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合產(chǎn)品的技術(shù)指標，先進行埋件加工，內(nèi)、外蒙皮固化成型，背筋固化成型，以及鋁蜂窩拼接賦型等流程；然后將內(nèi)蒙皮、蜂窩、饋源埋件和外蒙皮膠接成反射面主體；再利用J-133 結(jié)構(gòu)膠將背筋和反射面主體進行室溫膠接；熱穩(wěn)定化去應力后[11]，組合機加裝配位置，具體工藝流程見圖2。

圖2 主反射面天線制備工藝流程

3 主反射面天線研究過程及分析

3.1 模具設計

模具的材料選擇、結(jié)構(gòu)形式和型面精度是影響主反射面凹面型面精度的關(guān)鍵因素。CFRP產(chǎn)品通過傳統(tǒng)模具成型后，一般會發(fā)生翹曲[12]，主要由于CFRP 產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)與模具材料相差較大，固化成型的降溫過程中兩者之間產(chǎn)生剪應力。

對于高精度主反射面天線一般采用兩種措施來避免CFRP 產(chǎn)品的翹曲變形:一種措施是采用與CFRP相近線脹系數(shù)的模具材料[13]，此種措施材料成本和制造成本較高；另一種措施是采用對模具型面進行熱縮放的普通模具材料[14]，此種措施的縮放基準和縮放系數(shù)需要強大的數(shù)據(jù)庫做支撐。采用5 mm 厚復合材料上面板+6 mm 厚Q235 鋼下面板+Q235 鋼支撐框架材料的組合方式進行模具的設計，此結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，陽模成型，模具結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

其中，復合材料面板選擇準各向同性的環(huán)氧樹脂/T700 碳纖維短切氈復合材料[纖維含量(39±3)%]，避免機加后應力釋放導致型面變形。復合材料面板和Q235面板之間設計一層0.3 mm厚高溫橡膠緩沖層，在升降溫成型階段，兩種材料面板之間的剪應變按照式(2)計算:

式中:Δε為剪應變；γ為Q235 面板的熱膨脹系數(shù)；β為復合材料面板的熱膨脹系數(shù)；L0為從質(zhì)心到邊緣的距離;Δt為固化溫度和室溫的差值。

橡膠隨溫度的剪切延伸率、拉伸剪切強度(簡稱T-E-T)見圖4。從T-E-T圖可以看出，橡膠的拉伸剪切強度隨溫度的升高而降低，最低值為6.5 MPa，滿足使用要求。在整個固化過程，橡膠的剪切延伸率均大于對應的剪應變Δε，在最高固化溫度130 ℃時，面板之間的剪應變最大為0.097%，遠遠小于橡膠的剪切延伸率1.6%。不僅可以實現(xiàn)兩種材料之間的減震分壓，還可以緩沖兩者之間在固化過程產(chǎn)生剪應力，避免界面脫粘變形。其余模具設計要求如下。

圖4 橡膠的T-E-T圖

(1)工裝型面精度RMS≤0.015 mm，表面粗糙度Ra0.4；

(2)常溫氣密和熱氣密滿足航天規(guī)范。

3.2 模具熱分布

熱壓罐成型過程中溫度分布及溫度均勻性[15]為主反射面凹面型面精度保障的重要影響因素。目前很少有對模具熱分布的研究，故筆者分析反射面主體在熱壓罐內(nèi)成型過程中升降溫速率和溫度分布等溫度場情況，從而確定領(lǐng)先熱電偶和滯后熱電偶的位置。

按照反射面主體膠接固化參數(shù)，進行模具熱分布測試。模具熱分布見圖5。TC1，TC2為零件領(lǐng)先熱電偶，布置在零件底部邊緣余量區(qū)，處于蜂窩芯和外蒙皮之間；TC3，TC4 為零件滯后熱電偶，布置在零件型面中心和頂部邊緣余量區(qū)，處于蜂窩芯和內(nèi)蒙皮之間；TC5，TC6 為模具領(lǐng)先熱電偶，靠近零件，直接接觸模具，分別鋪貼16 層7.5 mm×7.5 mm聚酯無紡布；TC7，TC8 為模具滯后熱電偶，布置在模具反面，與TC3，TC4對稱，直接接觸模具，分別鋪貼16層7.5 mm×7.5 mm聚酯無紡布。

圖5 反射面主體熱電偶布置位置示意圖

模具熱電偶溫度曲線如圖6 所示，不同空間區(qū)域的熱電偶偶間溫差隨著罐內(nèi)溫度的升高和降低而變大，在領(lǐng)先偶溫度79.9 ℃，偶間溫差達到最大值22.2 ℃。在保溫階段熱壓罐停止升溫，偶溫逐步趨于一致。CFRP在模具上的熱傳導簡化的能量方程[16]如式(3)所示:

圖6 模具熱電偶溫度曲線

式中:ρ為CFRP 密度；t為加熱時間；T為CFRP在時間t的溫度；Cp為比熱容；K為熱導率；z為厚度。

可以定性解釋模具厚度、風速場和熱源距離是領(lǐng)先熱電偶和滯后熱電偶分布情況的主要影響因素。模具的熱傳導是一個復雜的過程，工程經(jīng)驗表明，熱傳導還與換熱結(jié)構(gòu)和隔熱材料隔熱率有關(guān)。反射面主體膠接的領(lǐng)先熱電偶TC5 和TC6 靠近零件，直接接觸模具，鋪貼16 層7.5 mm×7.5 mm 聚酯無紡布；滯后偶TC8 位于頂部位置的模具反面，鋪貼16層7.5 mm×7.5 mm聚酯無紡布，得到的升降溫速率和溫度的均勻性為最佳結(jié)果。

3.3 反射面主體成型

反射面主體采用先成型內(nèi)/外蒙皮，然后與鋁蜂窩二次膠接的成型方法，型面精度始終通過模具保持，防止反射面主體受外力和自重而變形，對型面精度造成影響。

內(nèi)/外蒙皮分別在成型模具上進行鋪貼，通過激光投影儀對預浸料裁片進行定位，減少鋪層角度偏差帶來的耦合效應。反射面主體的內(nèi)部膠接質(zhì)量直接影響主反射面天線的剛強度，為了保證內(nèi)部膠接質(zhì)量，膠接前應進行預裝配，調(diào)整相互位置關(guān)系，確認蜂窩、埋件和蒙皮的高度匹配，埋件比蜂窩矮0.1～0.2 mm。鋁蜂窩裁剪成4 瓣瓜瓣狀，用J-47D發(fā)泡膠拼接仿形，發(fā)泡膠條間留出5～6 mm間隙保證蜂窩的透氣性。成型模具上依次鋪放內(nèi)蒙皮、饋源埋件、鋁蜂窩和外蒙皮，內(nèi)蒙皮放置時應使對位刻線與成型模具的相對位置保持一致，從而減少兩者局部型面不匹配造成的型面偏差。

3.4 背筋與反射面主體膠接

背筋與反射面主體的膠接質(zhì)量將直接影響主反射面凹面型面精度和主反射面天線的剛強度。背筋與反射面主體的膠接工藝需從兩者之間的裝配間隙、膠層厚度、位置度和固化過程中施加的壓力進行控制，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。

背筋通過模具一體成型，保證與外蒙皮有相同型面。背筋和反射面主體在膠接定位工裝上先進行預裝和修配，背筋與反射面主體膠接示意圖見圖7。控制背筋和反射面主體的裝配間隙小于0.15 mm。背筋和反射面主體的膠接面使用150#~240#砂紙打磨粗化，清潔干凈后，在膠接面分別刮涂一層0.1～0.2 mm 厚J-133 結(jié)構(gòu)膠，膠層朝上放置5～10 min，讓膠液充分浸潤碳纖維膠接面，同時起到一定消泡作用。通過膠接定位工裝分別對背筋和反射面主體進行軸向定位和環(huán)向定位，見圖7。封裝抽真空加壓，真空度介于-0.02～-0.01 MPa，待室溫固化超過24 h后方可拆除真空袋等輔助材料，并進行脫模。通過以上工藝方法可以實現(xiàn)背筋與反射面主體的無應力膠接，從而保持主反射面凹面高型面精度和主反射面天線的高剛強度。

圖7 背筋與反射面主體膠接示意圖

3.5 組合機加

主反射面天線的裝配精度主要通過高效高精度的組合機加[17]來保證，裝配形位精度需要與反射面凹面型面精度關(guān)聯(lián)。一般主反射面天線成型后，在型面精度自由擬合滿足要求時，型面中心軸線與理論值會有一個夾角θ，不能直接以工裝基準孔為加工基準進行加工，需要進行基準轉(zhuǎn)換，圖8為主反射面基準轉(zhuǎn)換示意圖。

圖8 主反射面基準轉(zhuǎn)換示意圖

背筋與反射面主體膠接完脫模后，使用激光跟蹤儀檢測主反射面凹面型面和饋源埋件內(nèi)徑，通過軟件計算擬合當凹面型面精度滿足技術(shù)指標，且饋源埋件內(nèi)徑有足夠的加工余量時，主反射面凹面實測軸線與理論軸線的相對位置關(guān)系。將主反射面天線放置于成型模具，放置時通過對位刻線使主反射面凹面與模具的相對位置在成型狀態(tài)下保持一致。根據(jù)主反射面凹面實測軸線與理論軸線的相對位置關(guān)系，通過旋轉(zhuǎn)和平移將主反射面基準轉(zhuǎn)移到成型模具基準孔。

以基準轉(zhuǎn)換后模具基準孔作為基準組合機加工，組合機加工結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示。機加工時降低進給量[5]，每一個特征的精加工均采用多次加工，每次加工后進行檢驗，根據(jù)實測值矯正下一次機加工，減小機加工過程中產(chǎn)生的應力。具體加工內(nèi)容如下。

圖9 組合機加結(jié)構(gòu)示意圖

(1)加工對外接口安裝面以及對外接口安裝面上的螺紋底孔；

(2)加工饋元安裝面，饋源埋件內(nèi)徑以及饋元安裝面上的螺紋底孔。

4 主反射面天線性能測試

4.1 型面精度

主反射面天線放置于三坐標檢驗平臺上，安裝面朝下(凹面朝上)，自由狀態(tài)無應力放置。通過三坐標采集反射面凹面型面數(shù)據(jù)和饋源埋件內(nèi)徑數(shù)據(jù)，反射面工作面檢測點位不少于1 000 個(均勻分布)。以饋源埋件中心軸線為基準擬合型面，主反射面天線型面精度檢測圖如圖10所示，得到主反射面凹面型面精度RMS 0.04 mm。滿足設計要求。

圖10 主反射面天線型面精度檢測圖

4.2 裝配精度

主反射面天線安裝面朝上，自由狀態(tài)無應力放置。以饋源埋件中心軸線為基準，通過三坐標檢測其裝配精度，檢測結(jié)果見表1。均滿足設計要求。

表1 主反射面天線裝配精度檢測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)采用5 mm 厚復合材料上面板+6 mm 厚Q235 鋼下面板+Q235 鋼支撐框架材料的組合方式設計的模具，能夠降低固化成型中面板與產(chǎn)品之間的剪應力，滿足主反射面凹面型面精度成型要求。

(2)通過對模具熱分布進行研究，確定領(lǐng)先熱電偶和滯后熱電偶的位置，可以避免主反射面成型過程中溫度不均勻?qū)Π济嫘兔婢鹊挠绊憽?/p>

(3)在背筋與反射面主體之間的裝配間隙、膠層厚度、位置度和固化過程中施加的壓力控制等方面選擇最優(yōu)工藝參數(shù)，可以保持主反射面凹面高型面精度。

(4)將實測主反射面凹面基準轉(zhuǎn)移到成型模具基準孔，以基準轉(zhuǎn)換后模具基準孔作為基準組合機加工，可以有效地解決裝配精度超差問題。