董曉陽 郭金海 吳文平 史文鋒 陳浩然

(1 上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112)( 2 南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

天線反射器復(fù)合材料輕量化研究

董曉陽1郭金海1吳文平1史文鋒1陳浩然2

(1 上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112)( 2 南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

文 摘 采用樹脂基復(fù)合材料代替鋁合金材料研制反射器滿足天線反射器減重要求，并建立反射器3D模型，通過有限元軟件分別對鋁合金以及復(fù)合材料反射器的模態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在保持相同體積的條件下，復(fù)合材料反射器基頻比鋁合金反射器高出35.23%,減輕41.2%；為了保證星載反射器在服役環(huán)境中的精度，對兩種材料反射器在-180～+80℃的熱變形進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示：采用[0/45/-45/90]2S鋪層設(shè)計的反射器熱變形量比鋁合金反射器低94.25%；采用模壓工藝研制的復(fù)合材料反射器型面精度為0.027 mm，滿足使用要求，并且在服役環(huán)境下，復(fù)合材料型面精度穩(wěn)定性優(yōu)于鋁合金反射器。

天線，反射器，復(fù)合材料，有限元，輕量化

0 引言

天線反射器是通訊鏈路的主要結(jié)構(gòu)，通過電磁波接收和發(fā)射將測量數(shù)據(jù)反饋地面并進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)。反射器一般設(shè)計成為衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)外的附屬結(jié)構(gòu)獲得寬闊的視場來確保通訊質(zhì)量，通過連接結(jié)構(gòu)將反射器與本體結(jié)構(gòu)相連接。為了保證反射器工作面的高精度，要求反射器具有足夠大的剛度避免型面發(fā)生變形影響反射面精度。天線反射器另一要求是質(zhì)量控制，據(jù)報道，每減少1 kg發(fā)射質(zhì)量，則節(jié)省發(fā)射費(fèi)用1～2萬美元[1]。此外，將節(jié)約的質(zhì)量可以用于其他有效載荷的設(shè)計，提高有效載荷利用率。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其高的比強(qiáng)度、比模量、減重性能在航天器結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用。

國際通訊衛(wèi)星VA中心推力筒采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料研制，與傳統(tǒng)金屬材料相比減重達(dá)到23 kg[2]，某民用衛(wèi)星采用復(fù)合材料代替金屬支架，減重4 kg。采用化學(xué)刻蝕法以及低密度纖維粉、高強(qiáng)度聚氨酯泡沫制備的反射器質(zhì)量明顯減輕[3]，國外采用復(fù)合材料對反射器進(jìn)行輕量化設(shè)計，制造口徑1.22 m反射器[4]。反射器由于其服役特性，要求反射面具有高的型面精度保證通訊穩(wěn)定。此外，衛(wèi)星服役空間環(huán)境存在交變熱載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，最著名的案例就是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的熱載荷失效[5]；傳統(tǒng)的金屬材料存在固有的熱脹冷縮特性，影響反射器型面精度[6-7]，纖維復(fù)合材料具有各向異性的膨脹系數(shù)，通過鋪層設(shè)計產(chǎn)生較小的變形維持反射面型面精度[8-9]。反射器的鎖定方式、背筋與反射器粘接片、膠膜厚度、復(fù)合材料鋪層方式等因素對天線反射器基頻、熱變形有重要影響[10-11]。本文開展了天線反射器復(fù)合材料輕量化研究。

1 反射器結(jié)構(gòu)及邊界條件

天線反射器結(jié)構(gòu)如圖1所示，反射器口徑500 mm，為拋物線沿z軸掃略360°成拋物面。柱狀法蘭翻邊設(shè)計，連接均布連接塊。連接塊底面加工安裝孔，通過支桿與主反射器裝配，柱狀法蘭開孔減重。型面精度RMS≤0.05 mm。

圖1 反射器結(jié)構(gòu)

反射器網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用3D實(shí)體建模，有限元模型中單元為C3D8R，單元數(shù)5299，節(jié)點(diǎn)數(shù)9953；反射器四周均布六個連接法蘭加工孔，通過支桿與主反射面連接，將連接法蘭采用固定約束。反射器隨機(jī)振動載荷施加在模型約束連接法蘭上，隨機(jī)載荷頻率譜密度0.04 g2/Hz[12]，沿著反射面軸線(z)方向加載。

圖2 反射器有限元模型

2 模態(tài)分析及隨機(jī)振動載荷仿真

2.1 模態(tài)分析

2.1.1 鋁合金反射器模態(tài)分析

選擇2A12T4鋁材制備反射器,其材料性能如表1所示。

表1 鋁合金材料性能

將材料屬性賦予模型，并進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖3所示，在上述邊界條件約束下，壁厚3 mm鋁合金反射器的振動基頻為100.66 Hz；其質(zhì)量為2.01 kg。

圖3 鋁合金反射器模態(tài)

2.1.2 復(fù)合材料反射器模態(tài)分析

為了滿足反射器高強(qiáng)度要求，采用高強(qiáng)度碳纖維作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂作為基體，制備單層厚度0.18 mm的預(yù)浸料,其單向板力學(xué)性能如表2所示[13]。將材料屬性賦予模型，按照單層厚度0.18 mm設(shè)計鋪層，為了保證反射器的型面精度，采用準(zhǔn)各向同性鋪層[0/45/-45/90]2S,其模態(tài)如圖4所示。

表2 復(fù)合材料單向板性能

圖4 復(fù)合材料反射器模態(tài)

復(fù)合材料副反射面基頻為136.13 Hz,質(zhì)量為1.2 kg。與鋁合金反射器相比，其基頻提高35.23%；質(zhì)量減輕41.2%；達(dá)到在滿足基頻條件下減重的要求。

2.2 反射器隨機(jī)振動載荷分析

反射器作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在運(yùn)載火箭的推力作用下被運(yùn)送到固定軌道?；鸺诎l(fā)射過程中會遭受來自多方面的外部載荷激勵引起隨機(jī)振動[14]。包括空氣阻力、噪聲環(huán)境等激勵載荷。反射器在發(fā)射過程中承載隨機(jī)振動，通過有限元仿真得到反射器在隨機(jī)振動條件下的動力學(xué)響應(yīng)。仿真試驗(yàn)加載的頻率為20～2 000 Hz，功率譜密度為0.04 g2/Hz[12]；通過試驗(yàn)規(guī)范法等效于峰值加速度0.12 g2/Hz[15]。振動頻率譜密度曲線如圖5所示。加載點(diǎn)為六個連接塊安裝位置，方向?yàn)榉瓷淦鬏S向(z向)，在有限元軟件中通過設(shè)置分析步Frequency和Random Respond，編輯關(guān)鍵詞Base Motion將隨機(jī)振動激勵加載在固定連接塊，編輯關(guān)鍵詞將隨機(jī)振動頻率譜密度曲線(PSD)輸入激勵載荷[16],得到反射器軸向(z向)隨機(jī)位移響應(yīng),其位移云圖如圖6所示。由圖6分析可得出，在隨機(jī)振動載荷條件下，復(fù)合材料與鋁合金材料制備的反射器軸向最大位移出現(xiàn)在反射背面加強(qiáng)筋位置，位移量分別為7.1×10-8和1.1×10-7mm；鋁合金變形量比復(fù)合材料高出54.9%，并且鋁合金反射器在反射面出現(xiàn)較大面積變形，對反射面型面精度影響大。在隨機(jī)振動載荷條件下，復(fù)合材料高模量可以降低反射面變形量，維持較高的形面精度。

圖5 振動頻率譜密度曲線

圖6 反射器隨機(jī)振動z向響應(yīng)

3 熱變形仿真

由于復(fù)合材料與鋁合金導(dǎo)熱性能不同，對兩種不同材料制備的反射器進(jìn)行熱變形分析。實(shí)際反射器所在軌道空間環(huán)境溫度變化-180～+80℃[12]，采用預(yù)設(shè)溫度場方法對反射器施加熱激勵載荷，溫度范圍從實(shí)際空間溫度的-180～+80℃，溫度場穩(wěn)態(tài)均勻分布，得到的反射器形面熱變形云圖如圖7所示。

圖 7 反射器熱響應(yīng)

由圖7可知，鋁合金的反射器溫度在-180～+80℃內(nèi)，其沿著旋轉(zhuǎn)軸向的最大變形量為4.042 mm，采用形面擬合得到RMS值為0.65 mm；復(fù)合材料反射器其熱變形量為0.643 mm，采用形面擬合得到RMS值為0.038 mm；復(fù)合材料反射器在熱載荷環(huán)境具有更低的熱變形，型面精度熱穩(wěn)定高；鋁合金反射器中心位置變形量與反射面邊緣變形量差值為3.03 mm；而復(fù)合材料反射面中心位置與邊緣位置熱變形量差值為0.174 mm；其變形量低94.25%；型面精度高出161%，在-180～+80℃內(nèi)具有較高的型面精度保持能力，滿足反射器對形面精度的要求。

4 反射器制備及型面精度測量

4.1 反射器制備

反射器的蒙皮外表面為工作面，其對型面精度有較高的要求，四周均布的連接塊底平面為基準(zhǔn)平面，要求底平面與旋轉(zhuǎn)軸保持較高的垂直度，模具設(shè)計采用模壓一體化共固化工藝。工作面整體成型，加強(qiáng)筋以及連接塊采用外拼塊成型。根據(jù)仿真結(jié)果，按照[0/45/-45/90]2S鋪層，鋪層完成放置壓機(jī)進(jìn)行固化，其固化曲線如圖8所示。脫模后通過修整的復(fù)合材料反射器以及通過機(jī)加工成型的鋁合金反射器。采用電子天平稱重，復(fù)合材料反射器質(zhì)量為1.18 kg，鋁合金反射器質(zhì)量2.03 kg，減輕41.2%。

圖8 固化曲線

4.2 型面精度測試

制備完成的反射器采用拍照法進(jìn)行型面RMS測試，檢測設(shè)備為德國 GOM 公司ATOSII + TRITOP 三維光學(xué)掃描設(shè)備，在反射器測量型面均布測量靶標(biāo)點(diǎn)，將反射器掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計三維CAD數(shù)模進(jìn)行整體坐標(biāo)配準(zhǔn)后，計算結(jié)果表明，鋁合金反射器型面RMS為0.016 mm；復(fù)合材料反射器型面RMS為0.027 mm，滿足反射器形面精度≤0.05 mm的要求。

復(fù)合材料反射器型面精度比鋁合金反射器低的原因與制備反射器工藝有關(guān)，鋁合金反射器采用精加工方法制備，尺寸精度受到加工設(shè)備影響，而復(fù)合材料反射器成型需要在高溫高壓條件下基體樹脂與增強(qiáng)纖維復(fù)合，復(fù)合材料兩相的性能差異導(dǎo)致固化后脫模產(chǎn)生微量變形，引起型面精度降低，但是滿足RMS≤0.05 mm的使用要求。根據(jù)熱變形仿真分析結(jié)果，復(fù)合材料在-180～+80℃空間環(huán)境中具有低的熱變形量，在隨機(jī)振動激勵載荷條件下反射面變形量小，型面穩(wěn)定性更高，減重效果明顯。

5 結(jié)論

(1)在相同體積條件下，鋁合金反射器基頻為100.66 Hz，復(fù)合材料反射器基頻136.13 Hz，采用復(fù)合材料制備的反射器具有更高的基頻。

(2)在隨機(jī)振動激勵載荷條件下，復(fù)合材料反射面軸向變形量比鋁合金材料小54.9%。

(3)復(fù)合材料反射器型面RMS為0.027 mm，鋁合金反射器型面RMS為0.016 mm，在空間環(huán)境溫度條件下復(fù)合材料反射器熱變形量比鋁合金低94.25%。

(4)在滿足基頻以及型面精度要求前提下，復(fù)合材料反射器比鋁合金反射器減輕41.2%。

[1] 徐德康. 低成本衛(wèi)星空中發(fā)射系統(tǒng)[J]. 國際航空,2015(4):80-81.

[2] 何曉東. 先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天應(yīng)用[J]. 高科技纖維應(yīng)用，2006, 21(2):9-11.

[3] 張晨輝, 張晟, 楊尚杰. 某雷達(dá)天線反射器輕量化研制[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2016(1):71-73.

[4] DAVID W, DRAPER, MEMBER et al. the global precipitation measurement microwave imager:instrument overview and early on-orbit performance[J]. Iee Journal of Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2015,8(7).

[5] THORNTON, E A, KIM. Thermally induced bengding vibrations of a flexible rolled-up solar arry[J] .Journal of Spacecraft and Rockets,1993, 127(3):247-253.

[6] 徐宏,關(guān)英俊. 空間相機(jī)1 m 口徑反射鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程, 2013, 21(6) : 1488-1495．

[7] 辛宏偉,楊近松,高明輝等. 高分辨力空間遙感器次鏡支撐設(shè)計[J]．紅外與激光工程, 2011, 40(9) : 1725-1731．

[8] 杜善義. 先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2007,24(1):1-12.

[9] OGUAMANAM D C D, HANSEN J S, HEPPLER G R.Nonlinear transient response of thermally loaded laminated panels[J]. Journal of Applied Mechanics，2004, 71(1):49-56.

[10] 姚科,楊軍,韋娟芳. 星載固面反星載固面反射天線熱變形分析[J].低溫建筑技術(shù)，2016( 2):67-69.

[11] 李偉, 張明, 朱大雷等. 復(fù)合材料薄壁加筋拋物面天線仿真與優(yōu)化[J]. 宇航材料工藝, 2015,45(6)：27-31.

[12] 柯受全. 衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬實(shí)驗(yàn)[B]. 北京: 中國宇航出版社, 2009:55-56.

[13] 顧紅星, 王浩靜, 范立東等. HKT800碳纖維/AG/80環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備及性能[J]. 功能材料, 2015,(15):10-14.

[14] SCIENTIST G, DRDL HYDERABAD. Vibration environment and the rockets[J]. Procedia Engineering, 2016, 144(3):345-348.

[15] 張玉梅,韓增堯,鄒元杰. 隨機(jī)振動環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計方法綜述[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2012, 42(4):464-470.

[16] 李虎, 張峰. 星載天線動力學(xué)仿真分析[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2016, 56(2):56-58.

Reduction of Weight of Antenna Reflector Using Lightweight Composite

DONG Xiaoyang1GUO Jinhai1WU Wenping1SHI Wenfeng1CHEN Haoran2

(1 Shanghai Composite Technology Co.Ltd，Shanghai 201112) (2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 2100162)

In order to reduce antenna reflector weight, the aluminum alloy is replaced by resin composite. The 3D model of antenna reflector was designed. The model of antenna reflector with two kinds of material were simulated by finite element software. The results show that the composite antenna reflector fundamental frequency is 35.23% higher than that of aluminum alloy at the same volume and the weight reduces 41.2%. The thermal deformation of antenna reflector with two kinds of material were simulated at the temperature between -180℃ and +80℃, the composite reflector thermal deformation is 94.25% less than aluminum alloy while the plies are [0/45/-45/90]2sto the composite reflector root mean square (RMS) is 0.027 mm, the RMS stabilization of composite reflector is superior to aluminum alloy in deep space.

Antenna,Reflector,Composite,Finite element,Lightweight

2017-05-11

國家863高科技發(fā)展計劃(2015AA03A201)；上海市經(jīng)信委產(chǎn)學(xué)研(滬CXY-2013-8)

董曉陽，1988年出生，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)反射器研究工作。E-mail：donxiaoyang1112@163.com

TB3

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.008