復合材料異型結構注入天線制造技術研究

王學春 房曉斌

摘 要：本文針對復合材料異型結構注入天線的結構，進行鋪層設計；選取多種金屬材料作為工裝材料，通過數控加工技術制造組合成型模；結合復合材料熱變形制造技術、采用復合材料熱壓罐整體成型技術、復合材料異型結構注入天線的精度控制，制造合格的復合材料異型結構注入天線。

關鍵詞：復合材料；異型結構注入天線；組合式成型模；整體成型

注入天線是衛星天線分系統的重要組成部分，它是實現衛星星地之間數據的接受與發送的重要部件。常規的衛星天線反射器結構簡單，以蜂窩夾層結構為主，型面平緩，而注入天線為異型的雙環層壓結構。天線直接暴露在太空中，需要經受的空間環境溫度條件非常苛刻；同時在運輸及火箭發射的過程中，注入天線的力學環境（如靜力過載、動載荷沖擊、隨機振動等）也十分苛刻，異型的結構、苛刻的環境和較高型面、尺寸精度，對注入天線的力學性能和產品穩定性提出了很高要求。

碳纖維復合材料目前航天器上應用廣泛，相比傳統的金屬材料，其具有質量輕、比強度和比模量高、耐疲勞、可設計性強等優點。本文從材料性能、工裝結構、工藝難點、精度控制等方面介紹了一種異型雙環結構的復合材料注入天線的加工制造方法。

1 復合材料異型結構注入天線介紹

復合材料異型結構注入天線產品結構如圖1所示：產品結構為多翻邊雙環結構，外環最小直徑為φ352mm，內環直徑為φ272mm，上、下面接口安裝面為整體翻邊成型，上、下翻邊各均布8個φ5的安裝孔并安裝鋼絲螺套，扼流槽加強區制8個沉孔，各區域壁厚也不相同，型面精度不大于0.2mm。注入天線選用高溫T300碳纖維復合材料，具有質輕、高強度、高剛性、耐高溫，尤其是有非常低的熱膨脹系數等一系列優異性能，適用于特殊的空間結構產品。

異型結構注入天線主體，根據其結構和厚度特征，主體鋪層方式為[0°/45°/90°/-45°/0°]。通過多次試驗驗證該鋪層設計能夠滿足產品的強度要求，且無損檢測不存在分層、孔洞、脫粘和疏松缺陷。

2 復合材料異型結構注入天線模具

2.1 復合材料異型結構注入天線組合成型模設計

復合材料薄壁結構件常采用“分體式”的成型固化方法，將結構件拆分為多個零件單獨成型固化，然后進行組裝連接。這種方法成型過程簡單，但組裝過程中，零件相互間的粘結、定位、加壓等環節都存在較大困難，無法保證尺寸、強度和位置精度，不適于高精度零件的成型制造，同時航天產品對重量控制十分嚴格。

本文采用了一種周向抱合式組合模有效保證了異型結構注入天線型面和外形精度、接口連接位置精度，提高儀器連接強度和長期使用的穩定性等問題。

2.2 組合成型模的選材思路

采用熱壓罐固化的復合材料成型模，需要考慮熱傳導性，工裝的使用功能、操作性、加工性等特點，本項零件選取了組合式成型模，主體結構為中空結構，裝配底座和內芯模整體鑄造而成，外模使用分塊鋁模和法蘭壓環等拼裝而成。

從異型結構注入天線使用功能方面考慮，組合成型模為陽模。固化后的異型結構注入天線零件，由組合成型模外模先進行脫模，因此外模芯模進行了分塊設計。

復合材料零件成型較多使用金屬成型模。金屬成型模的主要材料有鋁、鋼、鑄鐵、殷鋼等，表1對四種金屬材料在制作模具方面的優缺點進行了比較。

從零件結構和精度控制上考慮，綜合分析工裝材料規格、剛性、氣密性、重量、熱膨脹系數、操作工藝性能、成本等，工裝內模選用了剛性較好的鑄鐵材料，外模選用了熱膨脹系數大、重量輕、便于工人裝配、拆卸和吊裝的鋁模具，上下翻邊采用鋼模。

工裝內模采用整體鑄鐵材料，能夠保證表面加工的光潔度、整體成型的氣密性、工裝的反復使用剛性和對零件的精度控制，同時具有一定的熱膨脹性能。

工裝外模選用鋁模具，重量輕、方便工人反復拆卸、搬運和裝配，重要的是可以利用鋁模具大的熱膨脹性能與內模配合使用，增加零件的密實度，提高無損質量，同時在室溫下有利于零件的整體脫模。

翻邊采用鋼模，是為了配合內模使用，保證制孔精度和反復使用的剛性需求。

通過對比四種金屬材料在異型結構注入天線零件的成型工裝方面的適用性和成本控制，最終成型工裝選用了這三種材料的組合模。

2.3 組合成型模的制造

復合材料異型結構注入天線組合成型模，所有模塊全部采用數控加工，加工的尺寸公差嚴格控制在±0.05mm內，數控加工完成后進行計量，計量合格方可進行組裝。組裝完成后的整體成型模，外模芯模之間要保證無階差和對縫間隙最大不超過0.1mm，通過研磨和二次計量合格后方可投入使用。

3 復合材料異型結構注入天線共固化成型

3.1 復合材料異型結構注入天線共固化成型方法選擇

復雜的復合材料層壓實體零件存在法蘭結構時，常采用熱壓罐單獨固化零件主體，法蘭通常采用金屬環二次膠接加鉚接到零件主體上，這種方式簡單、易成型，但上下翻邊的平行度、孔位精度不易保證，同時金屬與碳纖維的熱膨脹性能差異大，該零件的使用環境溫度變化巨大，不利于天線儀器裝配后在空間環境下使用的穩定性要求，因此，針對異型結構注入天線，采用熱壓罐共固化成型方法，該方法能夠保證產品精度和提高產品穩定性。

3.2 復合材料異型結構注入天線共固化成型的特點

復合材料異型結構注入天線采用熱壓罐共固化成型工藝，具有以下突出特點：

1）整體成型保證了雙環結構的同心度要求和反射型面精度要求；

2）采用一次共固化成型，保證了上下法蘭的平行度要求、安裝孔位精度、相對位置精度和異型結構注入天線整體可靠性，同時盡可能減重；

3）異型結構注入天線零件制造過程中，僅使用一套成型工裝，節約了制造成本。

4 復合材料異型結構注入天線的精度控制

復合材料異型結構注入天線制造使用的組合成型模，在精度控制上內模使用鑄鐵材料，外模材料為鋁。內模型面精度、表面光潔度要求高，而外模為分塊鋁模具，容易出現對縫間隙，且鋁模熱膨脹系數大于碳纖維復合材料的熱膨脹系數，按理論尺寸機械加工的模具固化的復合材料異型結構注入天線直徑和型面與理論尺寸存在差異，因此通過膨脹量計算，使用精確的數控銑切程序和合適的刀具來保證模具型面和孔位精度，內芯模按照零件尺寸加工，但對鋁模具外形數據進行了修正，既要利用鋁模膨脹傳壓，使零件固化密實，又能夠順利脫模和保證尺寸精度。

針對復合材料異型結構注入天線固化過程中可能出現的無損缺陷、皺褶和變形問題，在天線表面制作一套工藝勻壓板進行控制，工藝勻壓板可起到均勻傳遞壓力的作用，確保天線受壓均勻、厚度一致。針對上法蘭的R尺寸控制和內部質量控制，制作工藝硅橡膠芯模，保證R尺寸的穩定性和局部層壓體的密實度。

異型結構注入天線采用熱壓罐共固化成型后，為提高型面精度和尺寸穩定性，對零件進行時效處理，最后采用照相攝影法進行型面檢測，型面精度均小于0.15mm，結果合格。

5 結論

本文針對復合材料異型結構注入天線的制造技術難點分析和實踐結合，確定了異型結構注入天線結構的鋪層設計，并根據天線特殊的結構形式設計并制造了組合成型模，從異型結構注入天線強度、剛度和穩定性方面考慮選擇了熱壓罐共固化成型；采取精度控制和變形控制的方法，制造出合格的復合材料異型結構注入天線。

本項目取得的各項成果，將應用于未來型號的復合材料衛星天線和類似結構復合材料制件的研制。