某型超材料天線表面異常鼓起原因分析與處理

劉斯飛,劉玉營,徐俊仕

（1.空裝駐深圳地區(qū)軍事代表室，廣東 深圳，518000；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024)

0 引言

隨著新一代武器裝備隱身指標的不斷提升，傳統(tǒng)天線方案已無法滿足整體要求，超材料共形天線逐漸成為新一代裝備的設計首選。以某型飛機的超短波天線為例，因天線罩與天線采用了傳統(tǒng)的分離式設計，天線受天線罩結構支撐件和飛機結構件遮擋等因素影響，飛機飛行中出現(xiàn)了超短波通信距離不足、機動或轉彎時超短波通訊不暢等問題。為有效解決上述問題，最終采用一體化設計思路，將天線與天線罩進行整合，形成功能及結構一體化天線（以下簡稱“一體化天線”），這樣不僅能減重、便于維護，而且可以進一步提高天線的電性能和隱身性能。區(qū)別于傳統(tǒng)天線，共形天線既是天線又是必須承受一定載荷的飛機結構件，作為垂尾的組成部分，其結構強度直接影響裝備安全。

某型一體化天線靜力試驗件按試驗大綱開展靜力試驗時，首先開展預試，應變及位移數(shù)據線性度和重合性較高，結果符合預期。接著開展100%限制載荷試驗，試驗也未出現(xiàn)異常。最后進行115%限制載荷試驗，在加載到105%限制載荷時，試驗件出現(xiàn)響聲，繼續(xù)加載到115%限制載荷后卸載時，在第二、第三載荷區(qū)的拉伸一側，目視發(fā)現(xiàn)試驗件單側面板表面異常鼓起，且應變片的應變數(shù)據跳動劇烈，經現(xiàn)場檢查確認，該型一體化天線靜力試驗失敗，試驗中止。

1 產品組成

一體化天線產品由翼尖罩、天線組件等組成，如圖1所示。翼尖罩由蒙皮、中間填充芯材、賦形反射板、端蓋、邊條組成；天線組件由天線輻射體和金屬底座構成。翼尖罩、天線輻射體及金屬底座背板采用共固化一體成型。

圖1 一體化天線產品爆炸圖

一體化天線產品蒙皮包含外面板、外側芯材、內側芯材及內面板，由氰酸酯石英纖維預浸料內、外面板，PMI泡沫和透波蜂窩組成，結構形式為夾層結構，如圖2所示。

圖2 外面板（左）及內面板（右）

端蓋采用氰酸酯石英纖維預浸料熱壓罐固化成型；端蓋墊塊及邊條采用氰酸酯石英纖維RTM固化成型；前、后端賦形反射板采用雙馬碳纖維預浸料熱壓罐固化成型；天線輻射體采用氰酸酯石英纖維預浸料+金屬微結構+氰酸酯石英纖維預浸料熱壓罐固化成型；天線底座采用鋁合金機加成型，天線輻射體固化后與金屬底座背板膠鉚連接，如圖3所示。

圖3 天線輻射體與天線底座背板連接方式

一體化天線產品的填充芯材采用PMI泡沫和透波蜂窩，按特定數(shù)模外形機加成型。端蓋主體、端蓋墊塊、邊條、賦形反射板均預先固化成型，天線輻射體先固化成型并與天線底座背板膠鉚連接后再放入整體鋪貼模具面上鋪貼蒙皮，最終共固化成型。

2 表面鼓起原因分析

2.1 故障件拆解檢查

經檢查試驗件外觀，敲擊表面產生聲響以及從試驗單位帶回的試驗件視頻資料，確定了一體化天線脫粘的大致位置，并劃線進行拆解。進一步對試驗件進行檢查，發(fā)現(xiàn)天線基座單側與面板之間存在縫隙，另一側面板則處于正常膠接狀態(tài)。

為查明問題部位，將靜力試驗故障件按照確定的切割線路（紙膠帶內邊緣線）進行切割，拆解檢查，發(fā)現(xiàn)靜力試驗件的面板距離最底部蜂窩30mm處及以上，面板與蜂窩脫粘。剝離試驗件脫粘部分面板，可見面板與蜂窩間并未形成良好的膠接界面，蜂窩夾芯邊緣膠層狀態(tài)較差，未形成正常狀態(tài)的膠接膠瘤，且面板一側存在疏松分層現(xiàn)象，面板與蜂窩芯材膠接強度低。

2.2 故障樹分析

以一體化天線靜力試驗件面板表面鼓起異常為頂事件，從設計、制造、試驗等各環(huán)節(jié)，通過對可能原因建立故障樹逐一分析，具體如下：

經分析，可以排除試驗及設計問題，重點集中在制造工藝上。該型一體化天線成型工藝采用先單獨成型反射板、端蓋、天線輻射體以及后邊條等復材零件，蜂窩及泡沫芯材采用數(shù)控機床機加，再將已成型的多個零件與未固化的蒙皮在主成型工裝上組裝鋪貼，最終熱壓罐共固化成型。經物料復驗、設備復查以及人員能力核實，最終確認問題最大可能發(fā)生在成型工藝及環(huán)境控制方面。

該故障天線產品蒙皮預浸料鋪貼及蜂窩組裝過程均在潔凈間內進行，潔凈間的溫度在18℃～26℃，相對濕度不大于65%，大于10μm的灰塵粒子不超過10個/升，操作環(huán)境滿足HB5342《復合材料航空制件工藝質量控制》對潔凈間的環(huán)境要求。蜂窩使用前按照工藝規(guī)程的芯材干燥參數(shù)在烘箱內干燥（干燥參數(shù)為120℃/3h），干燥完成后轉入潔凈間，在4～6小時內完成蜂窩、輻射體天線及結構膠膜的組裝，并開始鋪貼外側蒙皮。

在S型件研制過程中，經工藝試驗發(fā)現(xiàn)，該款密度為128kg/m3，厚度為30～60mm的芳綸紙蜂窩在潔凈間濕度為50%時，為每小時增重約0.3%，且在烘干后的8h內增重極為迅速。整件蜂窩芯材干燥前后的失重率為3.6%～4%。蜂窩芯材的組裝在工藝窗口（4～6h）內吸濕約為1.2～1.8%，絕對吸濕量約為27～40g。制件鋪貼完成后在熱壓罐固化過程中，蜂窩吸收帶入到孔格內的水汽所形成的高溫蒸汽可能對氰酸酯面板及膠接面造成負面影響，從而使得蒙皮與蜂窩膠接面在未達到強度設計要求的條件時脫粘失效。另外，在實際制造過程中，隨爐件蜂窩芯材（平板件）的操作時間相對于整件蜂窩組裝的操作時間短，隨爐件的蜂窩芯材吸濕量（絕對含水量）較低，這可能導致隨爐件的強度測試結果與整件的強度測試結果不一致。

2.3 問題定位

該型一體化天線使用的面板材料KC372中主要成分為氰酸酯樹脂和石英纖維，蜂窩為密度128kg/m3的高密度芳綸紙蜂窩，面板與蜂窩膠接質量直接影響產品的強度性能。通過故障樹分析排查，膠接過程中蜂窩吸收帶入到孔格內的水汽所形成的高溫蒸汽是影響膠接質量的最可能原因。

2.4 機理分析

膠粘劑完全浸潤被粘物是獲得高強度膠接接頭的必要條件。如果浸潤不完全，就會產生膠層缺膠，導致膠接強度下降。使用氰酸酯膠膜膠接芳綸紙蜂窩過程中，蜂窩內含有的大量水分隨著固化溫度的升高而逐漸氣化，可能會在蜂窩表面形成一層水膜，阻礙了氰酸酯膠粘劑對蜂窩待粘接面的浸潤。

該型一體化天線在結構選材設計時，需要主體結構材料具有良好的介電性能、強度性能及耐環(huán)境性能，因此選擇了氰酸酯體系的蒙皮及結構膠膜。由于濕氣對氰酸酯體系膠膜蜂窩夾層結構的膠接性能存在較大影響，選型時著重考慮材料的吸濕性能，而未固化的預浸料及膠膜在潔凈間溫濕度控制條件下基本不吸濕，因此蜂窩夾芯的烘干溫度不合理及工藝窗口時間長就成為導致此次脫膠問題的主要因素。

2.5 問題復現(xiàn)

軍代表室組織人員進行故障復現(xiàn)試驗。為模擬天線的浸潤效果，將隨爐件的厚度加大到60mm，試驗過程保持與故障天線實際生產一致的過程控制參數(shù)，以模擬靜力試驗件在制造過程中的狀態(tài)。隨后通過對隨爐件開展力學試驗，產生的故障現(xiàn)象與靜力試驗件情況基本一致。

3 解決措施

3.1 控制環(huán)境濕度

嚴格控制環(huán)境濕度，在30%以下，從而控制蜂窩芯材的吸濕速率。

3.2 優(yōu)化組裝工藝流程

在蜂窩干燥前進行輻射體的預組裝，對輻射體進行適當修形，同時在組裝前裁剪好需要鋪貼的發(fā)泡膠及膠膜，進一步縮短蜂窩的校驗及輻射體的鋪放時間，將蜂窩芯材的外置暴露時間控制在120min以內。

3.3 加強隨爐件考核

重新研究制定隨爐件考核方法，將A夾層隨爐件的蜂窩厚度更改為60mm，模擬整件厚度最厚的A夾層區(qū)域面板與蜂窩膠接情況。

3.4 減少芯材含水量

提升蜂窩芯材烘干溫度，將蜂窩芯材烘干的溫度由120℃提升至150℃，保溫時間維持3h不變。

4 結語

超材料一體化天線是新一代飛機天線設計方案首選，融合了傳統(tǒng)天線、超材料、復合材料及結構強度設計等多學科知識，影響因素多，故障定位難。此次一體化天線異常鼓起問題的原因分析、故障定位、機理研究等分析解決過程，可供類似結構產品借鑒。一系列的工藝優(yōu)化措施，大大提高了一體化共形天線質量，確保了一體化天線裝機安全，同時對類似產品的工藝方案設計具有很強的指導作用。在目前航空產業(yè)大量使用復合材料的背景下，為如何加強復材制造過程的環(huán)境控制，提升制造質量，減少或杜絕復合材料分層脫膠等質量問題的發(fā)生提供了參考。