碳纖維復合材料高精度天線反射器的制造技術研究

王學春

摘 要：隨著航天技術的迅速發展，航天產品上使用的復合材料制件也越來越多，并呈現零件尺寸大、孔位精度高、外形結構復雜等特點。其中，復合材料天線反射器是航天產品復合材料制件中的一項重要部件，每顆航天衛星的用途不同，需要配套的反射器口徑尺寸、型面精度需求也不同。近年來，碳纖維復合材料天線反射器趨向大口徑、高精度方向發展，按照以往傳統的制造工藝，已經無法滿足航天衛星產品發展的需求。該文主要針對碳纖維復合材料高精度天線反射器的制造技術進行研究，研制滿足設計精度要求的碳纖維復合材料反射器。

關鍵詞：高精度 碳纖維復合材料 天線反射器 型面精度

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（c）-0097-03

先進復合材料具有強度高，剛度高、可設計性強、重量輕、尺寸穩定性好以及便于大面積整體成形等獨特優點，近年來不僅在航空、汽車、船舶、建筑等領域廣泛使用，隨著航天技術的迅速發展，航天產品上使用的復合材料制件也越來越多，并呈現零件尺寸大、孔位精度高、外形結構復雜等特點，常見的有復合材料天線反射器、支撐結構、支撐桿、饋源等各種類型結構的部件。其中，大口徑、高精度復合材料天線反射器制造技術成為 廣泛研究的趨勢。

隨著航天技術的發展，對復合材料天線反射器型面均方根誤差值（RMS）要求和裝配精度要求越來越高，口徑2 m的反射器型面均方根誤差值（RMS）從常規的0.20 mm提高到0.05 mm以內。以往制造中，綜合考慮工裝的熱膨脹系數、加工周期、制造成本等方面的因素，天線反射器工裝材料選用球墨鑄鐵，該材料基本能夠滿足1 m以下天線反射器產品的制造精度要求。但由于球墨鑄鐵材料熱膨脹系數與復合材料熱膨脹系數存在較大的差異，導致天線反射器在中、高溫固化時成型模與反射器零件熱變形量不同，對反射器固化后的型面精度影響較大，因此球墨鑄鐵材料很難滿足1 m以上口徑賦形反射器的型面均方根（RMS）精度要求。因此，為了提高較大口徑（1.5 m以上）賦形反射器型面精度，就必須在制造工藝、工裝材料等方面進行改進。

該文以某衛星天線反射器制造為例，結合以往復合材料天線反射器的制造經驗，開展大口徑復合材料高精度天線反射器的制造技術研究。

1 產品結構及特征

1.1 基本結構

某衛星碳纖維復合材料天線反射器主要選用高強度、高模量的M40J/環氧系列碳纖維預浸料面板/鋁蜂窩夾層結構，見圖1。

1.2 產品組成及指標要求

該碳纖維復合材料天線反射器主要包括主反射面及背筋結構，見圖2。

該天線反射器口徑約2 000 mm，拱高330 mm，天線反射器型面精度RMS≤0.05 mm。從產品結構和特征上分析，該天線反射器口徑較大，拱高較高，尤其是型面精度要求高，如何保證型面精度是該天線反射器的關鍵技術難點。

根據技術難點及指標要求，從工裝方案、工藝措施、制造過程精度控制等方面采取有效措施保證型面精度。

1.3 反射器成型工裝方案的選擇

天線主反射器組件由主反射面和背筋組成，為了同時保證背筋裝配精度，反射器工裝形式采用凸模成型與卡板定位相結合的結構，即成型膠合夾具。

復合材料零件成型較多使用金屬成型模。但為了控制零件變形，越來越多的使用復合材料工裝，表1列出幾種主要用于模具制造的材料優缺點比較。

以往常規精度反射器一般采用鑄鐵材質，而此次反射器精度要求比以往同口徑反射器精度要求高了幾倍，因此從反射器結構和精度控制上考慮，既要保證工裝剛性、氣密、制造周期和成本，又綜合考慮工裝材料規格、可加工性、熱膨脹系數、操作工藝性能等，該反射器工裝材料選擇了殷鋼材質，模體采用分塊焊接，中空結構，工裝型面厚度保證在10 mm以上，整體框架結構，底部增加加強筋提高模胎剛性，避免工裝型面變形。

為了保證反射面型面精度和預埋件位置精度，模體焊接進行時效處理，然后型面采用精確的數控加工，所有裝配孔位采用數控制孔后進行鏜孔，要求精度控制到±0.05 mm。反射器工裝型面加工后進行研磨處理，采用三坐標測量機進行檢測，測點約3 000個，工裝型面均方根誤差精度最終測試結果為RMS=0.02 mm。

2 高精度反射器制造精度控制

2.1 成型工藝流程

針對反射器口徑尺寸大、賦形曲率大、型面精度要求高的特點，結合以往經驗，反射器成型采用二次膠接成型工藝：以成型工裝為模體制造上蒙皮復材成型模，在復材成型模上成型反射面上蒙皮。在成型模具上成型反射面的下蒙皮。最后在成型工裝上將上、下蒙皮與鋁蜂窩芯組合膠接成反射器零件，大致流程見圖3。

2.2 工藝控制措施

對于口徑2 m的反射器模胎采用殷鋼材質，實踐經驗不足，因此，為了控制反射器型面精度要求，根據以往經驗在制造過程中采取了一些工藝措施以保證反射器型面精度，具體措施如下。

（1）為提高鋪層角度準確，在工裝余量區給出纖維鋪層角度基準，輔助采用投影鋪層系統，保證纖維鋪層角度的準確性，減少應力變形。

（2）零件固化過程中，使用硅膠工藝壓力墊，起到均勻傳壓的作用，確保零件蒙皮厚度均勻、表面光滑及與蜂窩芯組合的膠接強度。

（3）所有鋪層預浸料使用數控下料機下料，寬度根據型面曲率選擇，纖維角度偏差嚴格控制在±1°內，保證鋪層角度一致性，提高鋪層方向精度。

（4）反射器拱高較大，蜂窩芯與模胎貼合困難，采用分塊拼接，減小蜂窩芯應力。

（5）為減小靠模面與靠袋面的溫差，提高熱均勻性，在固化過程中表面增加石棉布用于保溫。

（6）根據以往經驗對固化后的碳纖維復合材料高精度反射器采用高溫和低溫時效處理，有效消除殘余應力。

通過以上工裝方案的選擇、工藝過程控制措施，該反射器與背筋裝配后采用攝影照相法

測量型面精度RMS達到0.05 mm，完全滿足設計指標要求。

3 結語

該文主要針對碳纖維復合材料高精度天線反射器的型面精度制造難點進行介紹，通過理論分析與經驗相結合，確定了高精度反射器天線的工裝方案；采取了具體有效的成型工藝過程控制措施；通過高低溫時效處理提高型面精度；制造出合格的碳纖維復合材料高精度天線反射器，實現了由量變到質變的技術積累。通過該項目的研究摸索，總結出了一些有效的工藝精度控制方法，取得的各項成果，將更多地應用于航天衛星復合材料天線反射器的研制，對全面提高航天衛星復合材料天線反射器型面精度和技術能力升級起到巨大推動作用。