某型號(hào)點(diǎn)波束天線反射器成型工藝改進(jìn)①

張靜

(中航飛機(jī)股份有限公司復(fù)合材料廠 陜西西安 710089)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料技術(shù)得到了飛速發(fā)展。先進(jìn)復(fù)合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量已成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一[1-2]。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕量化對衛(wèi)星功能和發(fā)射成本的影響至關(guān)重要，而選用復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑[3]。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)( 太陽能電池基板、框架)、天線系統(tǒng)、各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到了復(fù)合材料化。但隨著衛(wèi)星制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料天線的精度等級(jí)要求愈來愈高。對于大尺寸、高型面精度的天線來說，復(fù)合材料構(gòu)件的變形控制和型面穩(wěn)定性是當(dāng)務(wù)之急[4-6]。本文主要針對某型號(hào)衛(wèi)星點(diǎn)波束天線反射器在試驗(yàn)過程中存在的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，通過蜂窩芯拼接預(yù)成型、中心圓環(huán)安裝孔鉆制、復(fù)材模具型面修整、壓力墊制作方案調(diào)整、蒙皮與蜂窩芯配合不當(dāng)處增加膠膜等一系列工藝改進(jìn)措施，解決了熱真空及振動(dòng)試驗(yàn)后反射器型面精度變化較大，上蒙皮出現(xiàn)多處脫粘的問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

某型號(hào)點(diǎn)波束天線反射器（見圖1）為碳纖維蒙皮/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮材料為M40J碳纖維單向帶預(yù)浸料，上、下蒙皮均為4層，鋪貼順序按0°/45°/-45°/90°對稱，膠膜使用的REDUX312-100GSM，蜂窩芯為BC1.8-3/8P-15有孔鋁蜂窩（見圖2）。該反射面為環(huán)焦反射面，投影口徑1000mm，設(shè)計(jì)要求型面精度RMS≤0.1mm。

圖1 點(diǎn)波束天線反射器結(jié)構(gòu)

圖2 反射器鋪層結(jié)構(gòu)

2 成型工藝

此類產(chǎn)品的反射面一般的成型工藝是采用兩步成型法：（1）以金屬成型模為依據(jù)制造一個(gè)復(fù)材成型模，在復(fù)材成型模上固化成型反射面的上蒙皮；在金屬成型模上固化成型反射面的下蒙皮；（2）在金屬成型模上將上、下蒙皮及鋁蜂窩芯組合膠接固化反射面零件。

反射面蒙皮的固化溫度為13 5℃±5℃，壓力0.3MPa，蒙皮與蜂窩芯組合固化溫度為120±5℃，壓力0.15MPa。

3 存在問題及原因分析

使用M40J碳纖維預(yù)浸料和中溫膠膜REDUX312UL，采用兩步成型法成型后反射面在實(shí)際使用過程中存在幾個(gè)方面的問題：

（1）反射器在進(jìn)行-196℃～128℃高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，上蒙皮與蜂窩芯膠接面局部脫粘；

（2）熱真空及振動(dòng)試驗(yàn)后，反射器型面精度變化較大，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

從該反射器的設(shè)計(jì)選材、成型工藝、操作過程以及后續(xù)試驗(yàn)環(huán)境多個(gè)方面綜合考慮，主要原因有以下幾個(gè)方面。

（1）該反射器雖口徑不大，但焦深較大，整張鋁蜂窩芯在鋪貼過程中貼胎會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。從實(shí)際操作的狀態(tài)來看，蜂窩芯必須經(jīng)過長時(shí)間的真空壓實(shí)才能達(dá)到較好的與蒙皮貼合的狀態(tài)。

（2）上、下蒙皮分別在球墨鑄鐵、假件上成型，由于蒙皮材料與工裝熱膨脹系數(shù)的差異，固化后蒙皮存在一定程度的變形，蒙皮與蜂窩芯組合時(shí)配合狀態(tài)不佳，而且設(shè)計(jì)選用的膠膜厚度僅0.1mm，因此固化過程中蒙皮與蜂窩芯之間可能會(huì)存在弱粘接的區(qū)域。

（3）用于成型反射面上蒙皮的復(fù)材模具是按金屬模具成型，其工作面型面精度與理論型面有一定的差異，導(dǎo)致反射面上蒙皮的型面偏差會(huì)略大。

圖3 REDUX312UL膠膜剪切強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的變化

（4）由于該反射器的特殊使用環(huán)境，其熱真空試驗(yàn)溫度與所用膠膜的固化溫度基本一致，而膠膜的力學(xué)性能在接近固化問題的環(huán)境條件下有明顯下降，130℃環(huán)境溫度下膠膜剪切強(qiáng)度與室溫下相比下降了55%。詳見圖3。若反射器成型過程中內(nèi)應(yīng)力較大，且存在弱粘接區(qū)域，反射器在熱真空試驗(yàn)高低溫反復(fù)循環(huán)過程中內(nèi)應(yīng)力大于粘接強(qiáng)度，就會(huì)造成弱粘接位置蒙皮脫粘，且反射器型面會(huì)出現(xiàn)較大變化。

綜合上述原因，在不更改設(shè)計(jì)選材的前提下，為避免反射器在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)上述問題，就必須從整個(gè)操作過程中盡可能地減小反射器成型過程中的內(nèi)應(yīng)力，避免反射器蒙皮與蜂窩芯粘接時(shí)出現(xiàn)弱粘接。

4 改進(jìn)方案

（1）蜂窩芯由整張鋪貼改為5塊對稱拼接，并在組合前使用泡沫膠拼接后進(jìn)行預(yù)固化成型。減小蜂窩芯在組合固化過程中貼胎產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免反射器在使用過程中因內(nèi)應(yīng)力釋放造成型面不穩(wěn)定。

（2）用于上蒙皮鋪貼的假件在成型后按工裝上的中心圓環(huán)外形線使用掏空鉆掏出中心孔，并按此中心孔的外形制出上蒙皮中心圓環(huán)安裝孔，避免劃線鉆孔造成上、下蒙皮中心圓環(huán)安裝孔位置不協(xié)調(diào)，影響反射器成型后的型面精度。

（3）用于成型上蒙皮的復(fù)材模具通過攝影測量法對工作面進(jìn)行型面檢測，并按照實(shí)際偏差對工作面進(jìn)行打磨修整。

（4）蜂窩芯拼接預(yù)成型時(shí)，在蜂窩芯翻邊的余量區(qū)粘貼壓敏膠帶，待反射器固化成型后再去除蜂窩邊緣余量，有效避免了蜂窩芯在拼接預(yù)成型及反射器組合固化時(shí)在真空壓力作用下收縮，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）為保證壓力墊在反射器固化時(shí)能起到均勻傳壓的作用，壓力墊成型時(shí)，在兩層AIRPID之間鋪貼一層1581玻璃纖維預(yù)浸料，使成型后的壓力墊具有一定的剛性。另外壓力墊成型時(shí)，在校準(zhǔn)埋件安裝位置放置定位銷，保證壓力墊上的校準(zhǔn)埋件定位孔位置相對準(zhǔn)確，避免因定位孔位置不準(zhǔn)造成壓力墊局部傳壓不均。

（6）為保證反射器粘接強(qiáng)度，避免熱真空后出現(xiàn)蒙皮脫粘，在上蒙皮與蜂窩芯之間加鋪一層膠膜。

5 結(jié)語

使用改進(jìn)后方法生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過了用戶的熱真空試驗(yàn)及力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)的測試，反射器型面精度在試驗(yàn)前后能夠保持穩(wěn)定，未發(fā)生顯著變化，且沒有出現(xiàn)蒙皮脫粘的現(xiàn)象。