郝 玉，劉圖遠(yuǎn)，吳文平，陳 飛，邵勁力

（上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 200001）

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。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(guò)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(shuō)，結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)是天線系統(tǒng)的必然方向。

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(zhǎng)率不超過(guò)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。

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)。

圖1 網(wǎng)狀天線反射板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mesh antenna reflector

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(lái)說(shuō)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(guò)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)。

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(guò)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(guò)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-0.82×10K，鋁的熱膨脹系數(shù)為27×10K，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(guò)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(lái)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(guò)程，固化過(guò)程也是膠粘劑各組分體積收縮的過(guò)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。

表1 典型膠粘劑物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of typical adhesives

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(wú)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(wú)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。

圖2 天線反射板制備工藝流程圖Fig.2 Preparation process of antenna reflector

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(guò)程中，進(jìn)行工藝方法的優(yōu)化，整個(gè)裝配過(guò)程全部為無(wú)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(guò)以下參數(shù)來(lái)保證模具型面精度和孔位精度。

圖3 天線反射板膠結(jié)裝配模結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of adhesive assembly die for antenna reflector

（1）在模具側(cè)邊設(shè)計(jì)模具加工及測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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。

圖4 蜂窩夾層背架示意圖Fig.4 Honeycomb sandwich back frame

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(guò)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(lái)保證精度。

3.5 型面精度測(cè)量

如圖5所示，將天線反射板在特制模具上吊掛測(cè)量，進(jìn)一步釋放重力對(duì)型面精度的影響，經(jīng)過(guò)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(wú)脫粘和鼓包。

圖5 天線反射板型面精度測(cè)量值Fig.5 Surface precision measurement of antenna reflector

4 結(jié)語(yǔ)

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(guò)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。