尺寸高穩定性復合材料桁架結構的研制

馬 立，楊鳳龍 ，陳維強，齊衛紅，李艷輝

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尺寸高穩定性復合材料桁架結構的研制

馬 立1，楊鳳龍1，陳維強1，齊衛紅2，李艷輝2

（1．北京衛星制造廠；2. 航天東方紅衛星有限公司：北京 100094）

介紹了某衛星復合材料桁架結構的研制情況，通過材料選擇、鋪層設計、材料的熱膨脹系數測試與分析，制造了高精度的復合材料桁架，并測量了結構的熱變形。測量結果表明：采用高模量碳纖維復合材料能夠制造出熱變形只有微米級的高穩定結構。這是針對超穩衛星平臺所需的尺寸高穩定性結構的首次成功探索。文章最后對進一步降低結構熱變形、提高尺寸穩定性和測量精度提出了建議。

尺寸高穩定性；復合材料；桁架；熱膨脹系數；微變形測量

0 引言

尺寸高穩定性復合材料結構是輕質、高精度航天器結構的重要發展方向。美國和西歐國家自20世紀90年代開始研究零膨脹、高/超高穩定性的航天器復合材料結構，主要用于太空望遠鏡[1-3]及其他光學儀器的支撐結構[4-5]、天線反射面[5]和重力梯度儀基座[6]等。目前，歐空局“2015—2025宇宙愿景計劃”已開展的科研項目有太陽軌道器、歐幾里得探測器、柏拉圖太空望遠鏡等，這些航天器上均裝載著多個精度非常高的光學儀器和探測設備。為了保證這些儀器、設備的工作精度，必須為其提供高/超高穩定性的結構平臺，同時為了降低探測器的結構重量，需采用輕質材料制造。

傳統的航天器結構一般只要求高剛度、高強度、輕質量，對于尺寸穩定性的要求不是很高。但近年來，隨著遙感衛星、空間探測器、太空望遠鏡等高精度航天器對超穩平臺的需求，航天科研人員在尺寸高穩定性復合材料結構方面的研究也逐漸深入。

2010年以來,我國航天領域也開展了尺寸高穩定性復合材料結構的工程應用研究，主要用于衛星相機和其他精密儀器設備的支撐，目前已有成功飛行的經歷。2013年，中國空間技術研究院研制的

某衛星高穩定、高精度復合材料桁架結構（以下簡稱桁架結構）如圖1所示，承載著敏感器、天線等精密設備。

圖1 高穩定桁架結構示意圖

根據衛星的任務要求，該桁架結構不僅需要滿足承載強度要求，而且還要保證其上設備與基準的相對位置或指向關系穩定不變，即在外部環境條件變化時，其結構幾何尺寸變化很小或趨于零。為了滿足設備的高精度安裝及在軌高穩定性的要求，必須首先保證該桁架結構的制造精度及在軌的熱穩定性。

1 材料選擇

衛星結構常用的金屬材料有鋁合金、鈦合金、殷鋼等，非金屬材料主要是碳纖維樹脂基復合材料，表1列出了這些常用材料的性能數據。

表1 衛星結構常用材料的性能

鋁合金由于密度小、易加工、價格適中，廣泛應用于衛星的主結構和次結構。但由于其熱膨脹系數較高，對于要求熱變形小的結構則不適用。殷鋼是目前金屬材料中熱膨脹系數最低的材料，經常用于復合材料成型模具的制造，但因為其密度較大、價格昂貴、加工困難，很少用于衛星結構件。鈦合金由于熱膨脹系數較低、密度介于鋁合金和殷鋼之間，比強度高，在衛星結構中也時有應用。

碳纖維本身是負膨脹的，T300高強度碳纖維的熱膨脹系數是-0.41×10-6℃-1；隨著碳纖維模量的增加，熱膨脹系數進一步降低。以國產HM2高模量碳纖維為例，其熱膨脹系數為-0.83×10-6℃-1。通過合理的鋪層設計，可以獲得近零膨脹的復合材料。碳纖維不吸濕、在真空環境中沒有放氣現象，同時又具有非常高的比模量，因此是制造高穩定結構的首選材料[7]。

2 復合材料鋪層設計與熱膨脹系數的關系

2.1 技術指標要求

該桁架結構在熱控措施的保護下，工作環境溫度介于20～45℃之間。為保證其上設備的工作精度，對設備在軌期間的位置和指向精度提出了嚴格的要求：

1）天線a安裝點相對敏感器c安裝點（點）的距離變化小于1μm/K；

2）敏感器a安裝面相對測量坐標系（）的指向變化小于15″；

3）敏感器b安裝面相對測量坐標系（）的指向變化小于15″；

4）天線b中心相對衛星質心的位置變化小于0.1mm/3K。

上述指標中，最關鍵的是第1）項，即控制桁架結構長度方向（圖2的向）的熱變形。經指標分解，桁架中桿件的軸向熱膨脹系數的絕對值不大于0.5×10-6℃-1。

圖2 桁架結構的坐標系

2.2 鋪層設計及熱膨脹系數理論計算

利用復合材料的可設計性，通過鋪層設計可以獲得近零膨脹的復合材料，進而制造出高穩定的復合材料結構。本項目研制的桁架桿件采用環氧樹脂為基體、國產HM2高模量碳纖維增強的復合材料，其工程常數見表2。

表2 HM2碳/環氧復合材料的工程常數

利用經典層合板理論計算、對比，最終優選出桿件鋪層方式為[±45/0/90/0/±45]s。理論計算得出這種鋪層方式的復合材料縱向熱膨脹系數為-0.08×10-6℃-1，橫向熱膨脹系數為4.64×10-6℃-1。

2.3 熱膨脹系數測試

按照上述鋪層方式制備了熱膨脹試樣，其規格為25mm×5mm×2mm；參照標準QJ1522《剛性固體低溫線性熱膨脹系數測試方法》進行測試，測試設備為德國耐馳公司的DIL402C熱膨脹儀； 測試條件為溫度范圍-20～+60℃，升溫速率5℃/min。測試結果見表3，表中給出的是試樣在-10～+50℃范圍內的縱向平均熱膨脹系數。測試結果顯示，該鋪層方式的復合材料熱膨脹系數為負值，其絕對值基本滿足2.1節中對桿件軸線方向熱膨脹系數不大于0.5×10-6℃-1的指標要求。

為了考察復合材料在高低溫循環過程中熱膨脹系數是否有變化，重復測試了試樣的熱膨脹系數，如表3所示。從中可以發現，復合材料的熱膨脹系數是穩定的，并不隨冷熱交變次數的增加而發生變化，這也是選擇高模量碳纖維復合材料用于尺寸高穩定性結構的原因所在。

表3 熱膨脹系數重復測試結果

Table 3Repeated test data of CTE

×10-6℃-1

試樣編號1#2#3#4# 第1次-0.2899-0.2999-0.0896-0.5106 第2次-0.3001-0.2870-0.0536-0.5207 第3次-0.3142——— 平均值-0.3014-0.2935-0.0716-0.5157

2.4 熱膨脹系數理論預測與試驗結果差異的分析

比較2.2節理論計算的復合材料熱膨脹系數和2.3節試驗測得的結果，發現兩者之間存在著一定的偏差。分析認為可能有3個方面原因：

1）復合材料熱性能分析的理論還不成熟

現階段，對復合材料熱膨脹系數預測的理論研

究還較少[8-10]，復合材料熱性能是一個尚待深入探索的研究領域。

2）復合材料的非均質性

由于復合材料是手工制備的，所以材料的性能受操作影響較大。另外，由于內部存在孔隙、樹脂分布不均勻、纖維狀態不一致等因素，即使是從同一產品上取樣，試樣間也存在著一定差異，所以同一批次復合材料試樣的熱膨脹系數差異較大。表3所示測試結果也印證了材料非均質性帶來的測試數據離散性。

3）熱膨脹系數的測試誤差

測試儀器的精度會造成材料熱膨脹系數的測量誤差。單向復合材料的熱膨脹系數1（縱向熱膨脹系數）和2（橫向熱膨脹系數）測試結果的準確性直接關系到疊層復合材料熱膨脹系數預測的準確性。研究發現，只有當1和2的測試結果與材料的真實值相差不大于1×10-8℃-1時，理論計算值才能與實測值吻合。然而，1×10-8℃-1是當前熱膨脹系數測試儀器精度的極限。

測試方法、環境條件對復合材料的熱膨脹系數測試結果也有影響。筆者將與2.3節同一批次、編號為A#～D#的試樣送另一家有資質的單位進行測試，利用其自研的熱膨脹儀，參照標準GJB 332A—2004《固體材料線膨脹系數測試方法》進行測試；試樣規格為65mm×15mm×2mm；按高溫、低溫環境條件分別測試，低溫的溫度范圍為-5℃～室溫，高溫的溫度范圍為室溫～50℃，測試結果見表4。