空間光學相機桁架膠接裝配技術

邱泉水 張芳 孫東華 殷永霞 劉陽同

（北京空間機電研究所，北京 100076）

文摘 研究了一種新型光學相機碳纖維復合材料桁架結構的膠接裝配方法。對膠接裝配的工裝設計、膠黏劑選擇、表面處理、膠層控制、裝配原則進行了詳細的分析。通過制定科學的裝配方法和工藝，減小了桁架結構的裝配應力，提高了裝配精度和穩定性，最后對裝配后的桁架結構進行了正弦和隨機振動試驗。結果表明采用該膠接裝配法裝配的桁架具有較高的裝配精度和穩定性，可為空間光學相機中復合材料桁架結構的裝配提供一種嶄新的思路和方法。

0 引言

桁架結構因具有剛度好、質量輕、構型簡單、空間展開方便等優良特性，在空間光學遙感相機支撐結構中具有廣泛應用。傳統桁架結構大多采用金屬材料，因密度大所承受的有效載荷較低。高性能碳纖維復合材料密度小，比強度、比模量高，耐濕、耐磨、耐疲勞性能好等優異特點，諸多航天器在結構設計時采用了復合材料代替鈦合金、鋁合金等傳統金屬材料，可以減輕結構質量，增加有效載荷［1-3］。

空間光學相機系統成像質量主要受承載結構穩定性的影響，而結構穩定性依靠裝配質量保證［4］。由于桁架的主要承載結構是由連接桿和接頭組成，因此連接桿和接頭的裝配是保證桁架性能的核心環節。本文采用復合材料研究空間光學相機桁架，其中桁架的接頭為鈦合金材料，連接桿為碳纖維復合材料，通過理論分析和試驗探討復合材料桁架結構的裝配方法和裝配工藝，擬為空間光學遙感相機裝配提供一種嶄新的思路和方法。

1 光學相機桁架結構

空間光學相機主體安裝在衛星頂部，其光路系統對桁架結構穩定性、輕量化要求較高。桁架結構主要承載整個相機載荷，不但要求結構強度滿足承載需求，還要保證相機的各光學設備安裝精度及空間位置關系穩定不變，在經歷高低溫交變、真空輻照等空間環境時，其結構尺寸的精度變化很小。

桁架結構為碳纖維框架+鋁蜂窩夾層結構板的組合形式，結構見圖1、圖2。該桁架結構最大外形尺寸為1 500 mm（高）×1 400 mm（長）×950 mm（寬），質量不超過130 kg，由前框架、后框架、頂框架、底框架、側框架、中間框架、頂板構成，其中框架是由碳纖維桿件和鈦合金接頭裝配成型，頂板采用碳蒙皮/鋁蜂窩夾層結構設計，主要裝配技術指標：

圖1 光學相機桁架結構Fig.1 The truss stucture of optical camera

圖2 光學相機桁架功能模塊Fig.2 The truss function module of optical camera

（1）前框接口為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.05 mm；

（2）側框接口為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.02 mm；

（3）后框接口為32組安裝孔，安裝平面度均不大于0.05 mm；

（4）底框接口為14組安裝孔，安裝平面度均不大于0.05 mm；

（5）頂板接口1 為6 組安裝孔，安裝平面度均不大于0.1 mm；

（6）頂板接口2 為4 組安裝孔，安裝平面度均不大于0.1 mm；

（7）光學鏡接口1 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.1 mm；

（8）光學鏡接口2 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.1 mm；

（9）光學鏡接口3 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.05 mm；

（10）底框和后框接口平面的夾角為90°±30″；

（11）光學鏡接口2 與后框接口平面的夾角為48°±1′。

桁架結構為光學系統提供支撐，其結構的微小變形就會引起光線路徑的偏差，導致相機成像異常，因此，保證桁架結構的精度和穩定性是裝配的技術難點和重點。為實現該目標，在桁架結構裝配中擬采取如下控制措施：

（1）裝配前，對鈦合金材料進行真空去應力退火和低溫輻射冷處理，充分釋放加工應力，減小應力釋放而引起的變形；

（2）裝配過程中，借助裝配工裝確定各零部件的裝配關系，利用電子經緯儀測量和調整裝配角度，對安裝接口進行組合加工，保證安裝面的精度；

（3）組合加工前，對整體桁架進行真空放氣，促使復合材料中的小分子物質釋放以防污染光學鏡頭，最后進行振動消應力處理，充分釋放裝配應力以減少結構變形。

2 裝配方式選擇

2.1 機械連接法

機械連接法［5］是一種傳統裝配方法，接頭與桿件通過緊固螺釘連接后，精確測出各框架之間的配合間隙，根據間隙配做合適的調整墊片以達到消除間隙和保證裝配關系的目的。適用于空間位置關系要求不高的結構裝配，其優勢是調整間隙范圍大，適用面廣。但對于碳纖維制品，一方面，機械連接會破壞纖維鋪層的完整性，降低使用強度；另一方面，機械連接過程累積誤差較大，降低了裝配精度和結構穩定性。該方法不適用于對精度和承載均有要求的空間光學相機支撐結構的裝配。

2.2 膠接法

膠接法［6］是一種新型工藝方法，即通過膠黏劑將各零部件膠接為一體。特點是膠黏劑在固化前為液態，具有一定的流動性，當裝配產生的應力傳遞到膠層時，膠液的流動會抵消這部分應力，從而不會引起結構變形。由于膠黏劑為室溫固化，通常具有一定的固化周期，期間產生的裝配應力可以不斷被膠液吸收。當應力完全釋放后，膠黏劑便在這種平衡狀態下固化，從而使桁架結構處于低裝配應力的狀態中。

由于桁架結構裝配時受各零部件的加工誤差影響，各零部件間不可能實現完美配合，必然有部分裝配應力存在。盡管這些應力無法完全被抵消，但通過膠接的方法可以將裝配應力降到最低，使桁架結構趨于穩定。

3 裝配工裝設計

桁架結構裝配的目標是將鈦合金接頭與碳纖維桿件連接，然后搭建成一個穩定的空間結構。裝配原理是通過借用接頭和桿件上的孔定位來確定各零部件間的相對位置關系。裝配工裝采用了可拆卸的型鋼桁架結構，在需要定位的部位焊接鋼板并經機加工保證定位精度。工裝的裝配基準為底板，采用14組定位銷定位，裝配角度的測量借助電子經緯儀。工裝的結構和分解形式見圖3、圖4。

圖3 裝配工裝整體圖Fig.3 Overall diagram of assembly tooling

圖4 裝配工裝分解圖Fig.4 Exploded view of assembly tooling

4 裝配工藝方法

4.1 膠黏劑的選擇

碳纖維桿件和鈦合金接頭采用膠接法連接，因此，膠黏劑是保證桁架結構剛度和穩定性的重要因素。膠黏劑不僅要有較高的強度和韌性，還要承受一定程度的剪切力和機械振動，其次收縮率要小，以減小膠接應力。由于桿件和接頭為套接形式，無法施加外壓和升溫固化，所以要求膠黏劑能在室溫和接觸壓力下固化，且在真空下的揮發性能要滿足總質損小于1%，收集的可凝揮發物小于0.1%。Redux 420是一款室溫固化環氧膠，其工藝性好，收縮率低，幾乎不釋放小分子物質，室溫固化7 d 即可達到最佳力學性能，對金屬和碳纖維有很好的粘接性能，且廣泛應用于各類航天器中。

4.2 膠層厚度控制

膠接的可靠性很大程度上取決于膠黏劑的膠接強度，膠層厚度是影響強度的主要因素之一。從力學分析，膠層厚度增加只能降低厚度方向上的平均應力，但在界面處的表面應力不變，膠層所受剝離力矩反而增大。膠黏劑固化時因體積收縮產生膠接應力，當膠黏劑沿桿件軸向收縮時不受外部約束，該方向上的膠接應力較小。當膠黏劑沿桿件徑向收縮時受接頭和桿件的約束，該方向上的膠接應力較大，即應力沿膠層的厚度方向［7］。由于Redux 420屬于環氧膠黏劑，根據文獻［8］研究，環氧膠黏劑屬于開環化學反應，其固化收縮率在膠黏劑中是最小的，一般不大于2%，通過控制合理的膠層厚度并搭配室溫固化的方式可以充分釋放膠接應力，保證膠接尺寸的穩定性。

膠液固化前具有流動性，膠層厚度無法直接測量，只能通過控制用膠量間接推算出膠層的平均厚度［9］，計算公式如下：

式中，h為膠層平均厚度，m為膠黏劑的質量，ρ為膠黏劑的密度，s為膠接面積。

為了驗證膠層厚度對膠接性能的影響，通過試驗得到不同膠層厚度下的剪切強度，見表1。

表1 膠層厚度與力學性能Tab.1 Rubber layer thickness and mechanical properties

結果表明：當膠層厚度為0.1～0.3 mm時，膠接強度較高，膠層過厚時強度會下降。因此，當鈦合金接頭和碳纖維桿件之間的配合間隙不足0.1 mm時，需對桿件和接頭的膠接面進行修配。當配合間隙大于0.3 mm時，可在T300-1K的碳纖維平紋布上涂刷Redux 420膠，十字包裹于鈦合金接頭表面，保證膠層厚度為0.1～0.3 mm。接頭和桿件的連接形式見圖5。

圖5 接頭和桿件的連接形式Fig.5 Connection form of joint and rod

4.3 膠接零件表面處理

影響膠接強度的另一個關鍵因素是膠接零件的表面處理。膠接本質上是一種界面行為，零件表面處理決定了界面的理化狀態，進而影響到膠黏劑的膠接強度，所以膠接前的零件表面處理是必不可少的［10］。通常，碳纖維桿件采用149 μm砂紙打磨處理，鈦合金接頭膠接面采用噴砂處理。為了驗證不同噴砂工藝對鈦合金接頭膠接性能影響，采用不同砂型噴砂的鈦合金試片制備Redux 420膠接剪切試件，測試室溫下的剪切強度，結果見表2，試片狀態見圖6。

表2 表面處理與力學性能Tab.2 Surface treatment and mechanical properties

圖6 鈦合金表面噴砂狀態對比Fig.6 Comparison of sandblasting status of titanium alloy surface

結果表明：采用420 μm 噴砂時，鈦合金接頭表面粗糙度和均勻性較好，此時膠接強度最高。

4.4 碳纖維桿件成型

桁架結構中的碳纖維桿件采用手工鋪層—熱壓機法固化成型，通過剛性陰/陽模的模具型腔保證桿件的尺寸精度。為保證桿件外觀質量，且便于鋪層操作和避免后續機加工時出現分層缺陷，桿件鋪層時在最外層和最內層均包裹了T300-3K平紋碳布。采用這種結構形式的碳纖維桿件具有較高的強度和剛度，可以承受較大的荷載。成型模具見圖7，桿件見圖8。

圖7 碳纖維桿件壓機固化Fig.7 Press curing of carbon fiber rod

圖8 碳纖維桿件Fig.8 Carbon fiber rod

4.5 裝配過程

桁架結構的裝配原則為“先底后頂、先四周再中間”，裝配基準為桁架的底框架，按照底框架—（前框架、后框架、側框架）—（頂板、頂框架）—中間框架的順序進行裝配。

（1）按裝配順序將各桿件與接頭進行試裝配，通過局部修銼和粘接墊片的方式合理調整裝配間隙。

（2）將配置好的Redux 420膠均勻涂抹在桿件和接頭的膠接面上，配合間隙大于0.3 mm處可包裹預浸420膠的T300-1K碳布，保證膠層厚度為0.1～0.3 mm。

（3）利用桁架裝配工裝進行定位，將金屬接頭和碳纖維桿件進行組裝，通過電子經緯儀調整各部組件間的裝配角度，見圖9、圖10。

圖9 電子經緯儀角度檢測Fig.9 Angle detection of electronic theodolite

圖10 桁架結構裝配過程Fig.10 Assembly process of truss structure

（4）檢查各金屬接頭與桿件膠接處的溢膠，要求接頭各膠接面均有膠液滲出，檢查后及時用無塵布蘸取丙酮擦拭溢膠，隨后進入固化階段，完全固化需要7 d。

（5）桁架結構固化結束后，拆除裝配工裝，清理表面余膠和多余物。

（6）對固化后的桁架結構進行真空放氣和消應力振動，消除膠接應力后，對桁架組合加工，保證各尺寸和形位精度。由于桁架的中間框架與刀具干涉，組合加工時分為兩次，兩次加工的基準均為A/B/C/D基準面。

第一次加工時將中間框架拆除，僅加工A/B/C/D基準面以及后框和底框的墊片及安裝孔，保證底框與后框接口平面夾角90°±30″；第二次加工時將中間框架膠接于桁架結構中，以A/B/C/D 為加工基準，加工中間框架接口平面和安裝孔，保證安裝面與后框接口平面夾角48°±1′。機加工過程見圖11、圖12。

圖11 第一次機加工（無中間框架）Fig.11 First machining（without intermediate frame）

圖12 第二次機加工（有中間框架）Fig.12 Second machining（with intermediate frame）

為避免機床潤滑油、切削液等污染桁架后，在空間環境中揮發至光學鏡頭上影響成像質量，桁架結構加工前要進行整體防護，機加時采用干式切削法，可蘸取酒精對刀具局部降溫。桁架機加工過程見圖13，桁架最終狀態見圖14。

圖13 桁架結構機加工過程Fig.13 Machining process of truss structure

圖14 桁架結構最終狀態Fig.14 Final state of truss structure

（7）為驗證裝配后桁架結構的力學性能，在桁架結構上安裝相機鏡頭模擬件，并固定在試驗臺上進行正弦振動和隨機振動，正弦振動最大量級3g，隨機振動功率譜密度為1 W/Hz，振動時間2 min。振動過程中桁架結構處于鎖緊狀態。對試驗數據進行分析，桁架結構一階頻率為69.8 Hz，振動前后頻率未發生偏移，說明桁架結構能夠承受相機模擬件振動的考驗。

表3 桁架結構振動后結構變形量Tab.3 Structural deformation of truss structure after vibration

振動試驗完成后對桁架結構工作面的形位精度進行測量，桁架結構的平面度和角度等變化較小，振動前后均滿足設計指標，說明桁架整體結構未發生明顯變形，具有較高的剛度和結構穩定性。

5 結論

根據空間光學相機桁架結構的特點，詳細闡述了一種用于復合材料桁架結構的膠接裝配方法。該方法操作簡單，裝配精度高、應力小，可以保證桁架結構的精確性和穩定性，適合空間光學精密復合材料產品的裝配，具有一定的推廣價值。