大尺寸碳纖維網狀天線反射板工藝研制

郝玉　劉圖遠　吳文平　陳飛　邵勁力

摘 要：以網狀天線反射板尺寸4 897 mm×1 672.3 mm為例，通過設計方案的優化，在工藝特點分析和工藝試驗的基礎上，對工藝方法進行優化，采用碳纖維網格面板，常溫膠粘劑固化和金屬埋件后定位的方式，制備的反射板質量降低25.7%，型面精度和孔位精度均滿足設計要求，實現了反射板結構功能一體化的目標。

關鍵詞：碳纖維網格;網狀天線反射板;后定位;型面精度

中圖分類號：TQ327.1;TN820.8 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0048-04

Fabrication of large carbon fiber mesh antenna reflector

Abstract： This paper takes the mesh antenna reflector with the size of 4 897 mm×1 672.3 mm as an example. Through the optimization of the design scheme， the process method was optimized on the basis of analysis of process characteristics and process test. The weight of the prepared reflector was reduced by 25.7% by using carbon fiber mesh panel， normal temperature adhesive curing and metal embedded positioning. The precision of the surface and the precision of the hole location meet the design requirements， and the goal of the integration of the structure and function of the reflector is realized.

Key words： carbon fiber mesh;mesh antenna reflector;embeded positioning; Surface precision

天線是航天器與地面、航天器之間信息傳遞的重要工具，隨著空間技術的發展，各類通訊衛星上已經使用較高頻率（60 GHz～200 GHz）的拋物面天線[1]。天線在設計中要最大程度上實現輕質量、高強度、高剛度，同時還要滿足高型面精度，通過結構件的設計實現功能復用，可以提高載荷在球載總質量中的質量比，實現天線功能的最大化。可以說，結構功能一體化設計是天線系統的必然方向[2]。

目前研制的天線反射板多為金屬絲網的柔性受力系統，具有易折疊，收納率高的優點，在金屬網狀天線反射板中，金屬網的張力點、張力水平對天線反射板的保形能力、型面精度、展開的平穩性與可靠性均具有顯著影響，便于組合各種可展開的結構，易于實現大口徑。但是金屬絲一般是由不銹鋼、鉬、鎢這三種材料的超細絲加工而成的，同時對金屬絲的要求比較高，比如金屬絲網布應具有良好的多向彈性，縱向和橫向延伸率應盡可能地接近，其拉伸斷裂負載一般不小于1 kg/cm，斷裂伸長率不超過50%，網布應超薄、超輕，其編織結構應具有良好的可折疊性、抗皺性和抗松散性等[3～5]。

本文研制的網狀天線反射板，結構如圖1所示，有碳纖維網格面板、蜂窩夾層結構背架組成，蜂窩夾層結構背架內設埋件接口，用鋁基膠帶對框架進行封邊，并用常溫膠粘劑進行膠接，縮短了成型周期，并且蜂窩夾層結構具有比強度大、比剛度高、熱變形小和質量輕的優點。

網狀天線反射板設計要求為：尺寸4 897 mm×1 672.3 mm，厚度45 mm的曲面結構，設計要求型面精度RMS≤0.30 mm，對于大尺寸天線反射板來說是一個挑戰。另外，反射板內預埋件需要膠接在蜂窩夾層背架中，預埋件中心線與反射板拋物線誤差<0.1°，天線反射板之間通過鉸鏈與預埋件的組合實現折疊功能，因此預埋件的精度控制非常苛刻。

1 網狀天線反射板結構設計

1.1 材料的選擇

航天產品要求其構件最大程度上實現質量輕的特點，同時還要滿足設計所需要的強度和剛度要求。與金屬材料相比，碳纖維復合材料（CFC）密度低、并且具有最佳的比強度和比模量搭配，更易滿足球載設備的機械性能要求，同時具有一定的電磁波反射能力，符合通信偵察和雷達偵察系統的電訊性能指標[3]。

為實現質量輕的目標，天線反射面板舍棄傳統的蒙皮蜂窩夾層結構，采用碳纖維網格面板和蜂窩夾層結構背架裝配而成，蜂窩夾層結構包含鋁合金金屬埋件，通過設計計算，反射板質量降低了27.9%。

1.2 膠粘劑的選擇

在航天材料膠接裝配中，膠粘劑起到了至關重要的作用，不僅要保證航天產品的膠接性能，還要滿足航天產品在太空等環境下的使用性能。

天線反射板型面為拋物面曲線，在裝配過程中，受重力的影響會產生曲面翹曲變形的現象，同時蜂窩夾層結構和網格面板的膠接部位會有脫粘以及缺陷產生。此外，該天線反射板中設置鋁合金材料的接口埋件，碳纖維熱膨脹系數為-0.82×10-6 K-1，鋁的熱膨脹系數為27×10-6 K-1，兩者膨脹系數差別較大。因此要選用韌性好的膠粘劑將剪切應力在面板和夾層結構之間傳遞，減少膠接過程中的固化應力，避免脫粘，減少膠接缺陷，同時膠粘劑要有足夠的膠接強度來保持天線反射板結構的穩定性和整體性。

膠粘劑的固化是膠粘劑中的分子在一定溫度下發生交聯反應形成三維網狀結構的過程，固化過程也是膠粘劑各組分體積收縮的過程。根據膠粘劑固化溫度的不同，航天用膠粘劑可分為常溫膠、中溫膠和高溫膠。航天領域典型膠粘劑物理參數如表1所示。

采用中高溫度膠粘劑，固化后碳纖維與金屬埋件之間熱膨脹差異，產品平面度和孔位精度無法滿足設計要求。該反射板采用常溫膠粘劑，減少溫度差引起的翹曲變形。Raldite420AB膠粘劑是一種標準慢干固化，多功能，雙組分，環保，室溫固化的糊狀膠粘劑，固化后具有高剪切、高剝離強度、韌性好、彈性好、防水、耐氣候、抗化學侵蝕和無腐蝕性等優點，廣泛應用于航天領域，特別是航天結構件大面積和多部件的粘接。

2 工藝方案的研制

天線反射板是由碳纖維網格面板、蜂窩夾層結構裝配而成的板殼類結構，自身剛性及膠接裝配應力對型面精度影響大，所以要進行工藝方法的優化。天線反射板中網格面板采用規格4 mm×4 mm的T800碳纖維復合材料，厚度0.2 mm;蜂窩夾層結構的面板材料為M46/A11;面板與蜂窩使用常溫Raldite420AB膠粘結劑，采用均勻涂膠的工藝方法，抽真空固化，為保證孔位精度，蜂窩夾層結構中的埋件采取后埋的方式裝配，工藝流程如圖2所示。

3? 產品制備工藝

天線反射板的型面精度是產品的重要指標，為保證型面精度，在天線反射板生產過程中，進行工藝方法的優化，整個裝配過程全部為無應力裝配。

3.1 模具設計

天線反射板型面為曲面結構，為滿足產品型面精度的要求，反射器型面精度很大程度上取決于模具的最終狀態，模具型面按產品使用面曲面模型設計，采用通用平臺+曲面型面+側面定位塊的凸模結構，如圖3所示。因常溫膠粘劑膠結，材料的膨脹系數差異可以忽略，通過以下參數來保證模具型面精度和孔位精度。

（1）在模具側邊設計模具加工及測量基準塊，定位塊直接定位安裝平面和安裝孔。模具定位孔位精度偏差±0.05。

（2）型面精度RMS≤0.1mm（含側邊模具基準、接口定位模塊）;

（3）加工產品輪廓線，模具非工作面區加工鋪層角度刻線、中心刻線;

（4）模具整體滿足常溫氣密要求。

（5）該模具尺寸為5 m×2 m，為保證模具精度穩定性，通用平臺使用前按要求使用3個等高塊三點支撐，并復測平面度≤0.1 mm;

（6）曲面組件制真空袋壓緊在通用平臺上，使用過程中保持抽真空狀態，要求真空度≤-0.095 MPa。

3.2 蜂窩夾層結構裝配

為減少膠接裝配過程中保證產品型面精度，減少膠液用量，工藝方法首先膠接裝配蜂窩夾層結構背架，在模具型面上鋪與碳纖維網格面板同等厚度的F4布代替碳纖維網格面板，蜂窩芯子和上下蒙皮之間采用刷膠的工藝方法，抽真空固化，蜂窩夾層背架呈X狀。對蜂窩夾層結構進行型面精度的測量。蜂窩夾層結構放置在模具上3 d以上，釋放膠接應力，如圖4所示。

3.3 網格面板與蜂窩夾層結構裝配

為保證天線反射板型面精度，網格面板與模具型面貼合至關重要。在膠接裝配過程中，在模具型面涂刷1層J-133/丙酮（1∶1）的膠液，然后將面板通真空袋壓定型在模具型面上，抽真空進行預定型，保證網格面板與模具貼合。脫模后整體放在模具上3～5 d，使型面穩定。

3.4 金屬埋件的定位和裝配

根據設計要求，反射板中設計了兩種結構的接口金屬埋件，8種結構的孔位埋件，分布在蜂窩夾層結構背架中，其接口尺寸精度和孔位精度要求較高，為防止預埋件在裝配中發生位移，以及蜂窩夾層背架中的預埋件引起面板擠壓變形，影響尺寸穩定性，本工藝方法采用埋件后埋的定位方式，用工裝定位塊和螺釘、銷釘定位來保證精度。

3.5 型面精度測量

如圖5所示，將天線反射板在特制模具上吊掛測量，進一步釋放重力對型面精度的影響，經過擬合得到型面精度RMS值為0.24，網格面板和蜂窩夾層結構背架無脫粘和鼓包。

4 結語

本文對網狀天線反射板進行結構上的優化，設計了一種大尺寸碳纖維網格天線反射板，實現了航天器產品質量輕、型面精度高，通過對工藝方法的優化，采用常溫膠接固化成型，保證型面精度，采用后埋的定位裝配方式，保證反射板的孔位精度，滿足設計要求，數值如下：

（1）碳纖維網格天線反射板尺寸4 897 mm× 1 672.3 mm;

（2）重量10.4 kg，降低了25.7%;

（3）該碳纖維網格天線反射板型面精度為0.24。

【參考文獻】

[1]?周海峰，鞠金山，薛偉峰，等.結構功能一體化球載天線反射板制造工藝[J].電子工藝技術，2016，37（3）：166-167，174.

[2]鄭建生，李東偉，田玉華，等.空間可展開網狀天線網面材料的性能研究[J].電子機械工程，2005，21（3）：49-51，55.

[3]申志剛.星載可展開網狀天線制造技術研究[J].機械制造，2019，57（3）：52-55.

[4]段寶巖.大型空間可展開天線的研究現狀與發展趨勢[J].電子機械工廠，2017，33（1）：1-14.

[5]江海東，雷黨剛，楊靖輝.地面雷達天線骨架制造工藝技術[J].電子工藝技術，2015，36（2）：118-121.

[6]李團結，馬小飛.大型空間可展開天線技術研究[J].空間電子技術，2012，9（3）：35-39，43.

收稿日期：2021-07-09;修回日期：2022-04-19

作者簡介：郝 玉（1990-），女，碩士，工程師，研究方向：航天領域天線結構裝配工藝;E-mail：haoyu468@163.com。