陳萍 章令暉 羅世魁 殷永霞 夏英偉 涂彬

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

1 引言

遮光罩是衛(wèi)星光學(xué)遙感系統(tǒng)的重要部件，主要用于遮擋部分地氣光和其它一些雜光進(jìn)入窗口和相機(jī)鏡頭中，同時(shí)最大限度地吸收已進(jìn)入遮光罩的雜散光，保證相機(jī)的成像品質(zhì)。遮光罩不僅要有良好的消雜光效果，還要經(jīng)受衛(wèi)星運(yùn)輸、發(fā)射以及在軌過程嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，如靜力過載、動(dòng)載荷沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等，有時(shí)還直接暴露在太空中。此外，遮光罩和衛(wèi)星其它部件一樣，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和外形尺寸都有著嚴(yán)格的要求。

隨著空間遙感技術(shù)不斷發(fā)展，遙感器的工作譜段已從可見光、紅外、微波發(fā)展到幾乎覆蓋無線電波至γ射線的整個(gè)譜段，光學(xué)系統(tǒng)也經(jīng)歷了從折射系統(tǒng)、折反系統(tǒng)到全反系統(tǒng)的演變。不同光學(xué)系統(tǒng)中的遮光罩是不同的，同一光學(xué)系統(tǒng)中不同位置的遮光罩也不同，單從遮光罩的結(jié)構(gòu)形式而言，主要有蜂窩夾層式、內(nèi)置光闌式、薄壁殼體式等幾種類型[1～3]。早期的遮光罩常常采用鋁合金等輕金屬材料，并通過機(jī)械加工、鈑金、焊接等工藝制造，不但質(zhì)量大、尺寸和形位精度低，而且連接部位較為薄弱、可靠性低，尤其是消雜光性能也不太理想。目前，以高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料（ACM），具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、阻尼減震性能好、性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已成為空間遙感器遮光罩的首選材料。從工藝成熟度和工程化應(yīng)用情況來講，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）和采用CFRP或者AFRP作為蒙皮的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)又占據(jù)了其中的主導(dǎo)地位[4～5]。

針對(duì)近年來出現(xiàn)的新型復(fù)雜曲面型遮光罩（簡稱百葉罩），本文介紹了一種基于周向抱合式組合模具的一體化成型技術(shù)。

2 材料選擇及性能分析

本文所述的百葉罩為一逐級(jí)遞進(jìn)百葉狀圓筒，各葉片呈圓弧狀，通過徑向分布的縱筋連接成整體，總長度為308.9mm，通光口內(nèi)徑170mm，最大外徑293.4mm，葉片厚度0.3mm，此外沿圓周分布多處斜坡狀開口，結(jié)構(gòu)精巧緊湊，屬于典型的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 百葉罩結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of shutter-type cover

百葉罩通過其內(nèi)嵌的法蘭安裝在相機(jī)的次鏡上，可以看作外伸的懸臂結(jié)構(gòu)，要求所選材料具有較輕的質(zhì)量、較高的強(qiáng)度、良好的疲勞減震性、良好的尺寸穩(wěn)定性等。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)模型的雜光仿真分析，百葉罩各葉片的長度、厚度及間距等因素對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的面遮攔比、MTF、雜光系數(shù)等具有顯著影響[6～7]，是制造過程應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 鋁合金材料

在產(chǎn)品研制初期，考慮到百葉罩復(fù)雜而又緊湊的結(jié)構(gòu)形式，為了降低制造難度，選用了鋁合金材料，這也是長期以來航天器的主要結(jié)構(gòu)材料之一。采用車、銑、線切割等工藝，制造了首件產(chǎn)品。經(jīng)檢驗(yàn)，葉片厚度均勻性較差，最薄處約0.1mm，而最厚處達(dá)0.5mm。在隨后進(jìn)行的振動(dòng)試驗(yàn)中，由于各拐角處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，多處部位出現(xiàn)斷裂損傷，如圖2所示，其中白色標(biāo)記即為損傷位置。

如前所述，葉片厚度均勻性差將直接影響遮光罩的消雜光效果。而振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的損傷，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)裕度較低，可能無法承受發(fā)射過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷。顯然，鋁合金材料無法滿足遙感器光學(xué)系統(tǒng)百葉罩的使用要求。

圖2 鋁合金百葉罩損傷照片F(xiàn)ig.2 Photo of damaged shutter-type cover of aluminum alloy

2.2 復(fù)合材料

目前空間遙感器輕量化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追求的一項(xiàng)重要指標(biāo)，先進(jìn)復(fù)合材料無疑具有絕對(duì)優(yōu)勢。目前常用的碳纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料，密度大約只有鋁合金的1/2，強(qiáng)度卻與鋁合金相當(dāng)或者高于鋁合金。采用較為成熟的鋪疊、纏繞等工藝方法，通過對(duì)纖維（或者預(yù)浸料）分布模型或者模具型腔尺寸的計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)最終制品尺寸的精確控制。最重要的是，復(fù)合材料具有較高的抗疲勞性能和阻尼振動(dòng)性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼大約是金屬材料的10～100倍，這主要是由于纖維與基體之間存在著相對(duì)滑移和基體固有的粘彈性所引起的[8]。圖3列出了3種常用的纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子對(duì)比情況，可以看出，同種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中織物的阻尼性能優(yōu)于單向?qū)雍习?，而芳綸織物復(fù)合材料的阻尼性能又優(yōu)于其它兩種材料。此外，考慮到碳纖維復(fù)合材料呈明顯脆性，芳綸纖維復(fù)合材料韌性較好，最終選用芳綸織物增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料。

圖3 復(fù)合材料的損耗因子Fig.3 Loss factor of composite

芳綸纖維牌號(hào)較多，一般選擇遙感器上常用的Kevlar 纖維作為增強(qiáng)材料。Kevlar 纖維是一類芳香族聚酰胺合成纖維，分子結(jié)構(gòu)為一長鏈上含有直接連接在兩個(gè)芳環(huán)上的85%的酰胺鍵組成，經(jīng)歷了大量飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

基體材料對(duì)于支持和固定纖維、傳遞纖維間載荷、保護(hù)纖維、改善復(fù)合材料某些性能起到重要作用。綜合分析工作溫度、與增強(qiáng)纖維的浸潤性和結(jié)合力、工藝性等因素，基體材料選擇TDE-86 多官能環(huán)氧樹脂。固化劑則選用上?；瘜W(xué)試劑廠生產(chǎn)的4,4′-二氨基二苯基砜（DDS）。由于DDS 分子結(jié)構(gòu)中的硫原子已經(jīng)處于最高氧化狀態(tài)，同時(shí)砜基又傾向于吸引苯環(huán)上的電子而使苯環(huán)缺少電子，因此使整個(gè)二苯砜基都處于耐氧化狀態(tài)。分子結(jié)構(gòu)中二苯砜基的另一個(gè)特點(diǎn)是化學(xué)鍵的強(qiáng)度高且整個(gè)二苯砜基處于高度共振狀態(tài)，當(dāng)吸收大量的熱能和輻射能時(shí)，通過這種共振體系消散，而不發(fā)生鏈斷裂和交聯(lián)。因而DDS具有突出的耐熱和熱氧化穩(wěn)定性，同時(shí)具有很低的吸濕性[9]。同樣，DDS 的活性低，與環(huán)氧樹脂反應(yīng)遲緩，適用期非常長，與普通環(huán)氧樹脂的混合物在100℃也有3h 的適用期?？傊?，TDE-86/DDS 樹脂基體具有較高的熱穩(wěn)定性、較低的吸濕性以及良好的工藝性。

Kevlar 纖維織物與TDE-86 環(huán)氧樹脂固化后的復(fù)合材料則具有良好的力學(xué)性能和較低的熱膨脹系數(shù)，詳見表1～2。

表1 Kevlar/環(huán)氧復(fù)合材料層板力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Kevlar/epoxy composite laminates

表2 Kevlar/環(huán)氧復(fù)合材料層板熱膨脹系數(shù)Tab.2 Coefficient of thermal expansion of Kevlar/epoxy composite laminates ×10–6K–1

3 成型技術(shù)及分析驗(yàn)證

3.1 工藝方案選擇

對(duì)于形狀復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，將其拆分成多個(gè)零件單獨(dú)成型后再進(jìn)行連接，即通常所說的“分體成型、組裝連接”（簡稱分體成型方案），是實(shí)際生產(chǎn)過程中常常采用的方法[10]。百葉罩的每個(gè)葉片形狀相對(duì)簡單，易于鋪疊和固化成型，也能夠通過粘接等工藝連接成一體，還能夠大大簡化成型模具的結(jié)構(gòu)形式和降低加工難度。但是，組裝連接過程葉片相互間的粘接、定位、加壓等環(huán)節(jié)都存在很大困難，無法保證尺寸（尤其是壁厚）和位置精度，也無法滿足葉片軸向長度從內(nèi)到外漸變的要求，內(nèi)部容易產(chǎn)生孔隙、脫粘等缺陷，制件的整體性能較差。

與分體成型方案相對(duì)的是整體成型方案，能夠?qū)φ麄€(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)、優(yōu)化鋪層工藝，提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度及剛度，也省卻了不必要的連接。另外，整體成型方案工序項(xiàng)目少，生產(chǎn)周期短。當(dāng)然，整體成型方案相對(duì)復(fù)雜，成型工藝方法的選擇余地也較小。相較而言，整體成型方案更加適應(yīng)百葉罩的特殊結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)的使用要求。由于百葉罩結(jié)構(gòu)緊湊、操作空間狹小，因此按照從里往外的順序逐層進(jìn)行鋪疊，各葉片間的階差以及圓周上斜坡狀開口在鋪疊同時(shí)全部裁切到位，采用組合式模具和真空袋-熱壓罐法一體固化成型，以確保壁厚的一致性和葉片位置精度，同時(shí)對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，提高產(chǎn)品的可靠性。

采用整體成型方案的復(fù)合材料百葉罩的工藝流程如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料百葉罩工藝流程Fig.4 Manufacture process of composite shutter-type cover

3.2 成型模具設(shè)計(jì)

復(fù)合材料的制造技術(shù)迥異于金屬材料，復(fù)合材料的成型通常要在模具中完成，在新材料成型的同時(shí)，也完成了最終結(jié)構(gòu)（毛坯）的成型。模具決定了制品的幾何邊界，明確了與其它零部件的關(guān)系，又影響著制品的內(nèi)在品質(zhì)和表面狀態(tài)[10]。因而成型模具的設(shè)計(jì)在很大程度上決定著復(fù)合材料百葉罩的工藝實(shí)施過程和最終產(chǎn)品性能。

百葉罩各葉片逐層遞進(jìn)，軸向存在不同的階差，周向存在斜坡狀開口，又簇?fù)碓谝黄?，因此要求成型模具能夠?qū)崿F(xiàn)順序鋪疊、精確裁切、逐件安裝、易于合攏、均勻加壓以及準(zhǔn)確定位等諸多功能。一體化復(fù)合材料百葉罩的模具比較復(fù)雜，為一周向抱合結(jié)構(gòu)，包括中心筒、端蓋、芯塊、側(cè)板、擋片等，共計(jì)約兩百多個(gè)零件，如圖5所示。

上、下端蓋對(duì)稱安裝在中心筒的兩端，如圖6所示。依據(jù)百葉罩的通道分布情況，在端蓋外壁的對(duì)應(yīng)位置開槽，其中心軸線皆通過端蓋中心，由于端蓋和中心筒同軸，所以開槽的中心線皆通過中心筒的軸線。芯塊的形狀及尺寸與各葉片保持一致，同一通道內(nèi)的兩個(gè)芯塊通過端面上的定位銷連接，使其承壓后能夠向圓心收攏。芯塊利用端部伸出的端頭，將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)芯塊固定在端蓋的槽內(nèi)。由內(nèi)向外，各層芯塊依次疊加，皆固定在端蓋的槽內(nèi)。側(cè)板的形狀及尺寸與百葉罩的側(cè)面保持一致，也利用端部伸出的端頭固定在端蓋的槽內(nèi)，確保各葉片的位置精度。

3.3 鋪疊工藝分析

圖6 百葉罩模具中心筒Fig.6 Central cylinder of mould for shutter-type cover

復(fù)合材料要求增強(qiáng)纖維以預(yù)先設(shè)計(jì)好的方向和數(shù)量安放在樹脂基體中，鋪疊（鋪貼）技術(shù)就是逐層安放預(yù)浸料并疊合成零件雛形的一種具體工藝方法。鋪疊工藝常常因結(jié)構(gòu)的幾何形狀和所用材料規(guī)格的差異而有所不同。對(duì)于采用整體成型方案的百葉罩，鋪疊工藝顯得尤為關(guān)鍵，既要切除圓周上斜坡狀開口部位，又要保證相鄰葉片間的連續(xù)性，還要對(duì)葉片圓弧面和筋的交叉區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)以維持結(jié)構(gòu)形狀、提高整體剛度，實(shí)現(xiàn)差異化鋪疊。依據(jù)模具的結(jié)構(gòu)形式，鋪疊過程如圖7所示，大致可分為以下幾個(gè)步驟：

1）將成型模具中的中心筒與兩個(gè)端蓋連接后，在中心筒的表面先鋪疊環(huán)向預(yù)浸料，延伸出的料頭部分留在相鄰葉片的對(duì)接處，然后安裝各層芯塊、側(cè)板、擋片和工藝壓板進(jìn)行預(yù)壓實(shí)；

2）沿筒體周向，依次在最內(nèi)層各芯塊的表面鋪疊預(yù)浸料，鋪疊從芯塊的外側(cè)面開始繞3/2 周后將預(yù)浸料一端延伸出的部分留在相鄰葉片的對(duì)接處，利用芯塊端部伸出的端頭將最內(nèi)層芯塊固定在端蓋相應(yīng)的槽內(nèi)，安裝上其余各層芯塊、側(cè)板、擋片和工藝壓板進(jìn)行預(yù)壓實(shí)；

3）采用與步驟2）相同的鋪疊方法，由內(nèi)向外依次完成各層葉片（不包含最外層）的鋪疊；

4）沿筒體周向，依次在最外層各芯塊的表面鋪疊預(yù)浸料，鋪疊從芯塊的外側(cè)面開始繞芯塊鋪貼，利用芯塊端部伸出的端頭將最外層各芯塊固定在端蓋相應(yīng)的槽內(nèi)，相鄰兩層葉片的預(yù)浸料相互搭接，安裝上側(cè)板、擋片和工藝壓板后進(jìn)行預(yù)壓實(shí)；

5）沿筒體周向鋪疊復(fù)合材料百葉罩最外層的預(yù)浸料，搭接處避開鋪疊最外層芯塊的預(yù)浸料搭接處和相鄰葉片的接合處，安裝上側(cè)板、擋片和工藝壓板后進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。

圖7 預(yù)浸料鋪疊示意Fig.7 Laminating schematic of prepreg

3.4 分析驗(yàn)證

從多個(gè)批次數(shù)件產(chǎn)品的研制情況來看，本文所述方法能夠?qū)崿F(xiàn)Kevlar/環(huán)氧復(fù)合材料百葉罩的一體化成型，如圖8所示。復(fù)合材料百葉罩尺寸精度高，尤其是葉片壁厚均勻，厚度偏差不大于±0.1mm；單件質(zhì)量小于240g，相對(duì)早期鋁合金百葉罩質(zhì)量減少50%以上；成型工藝簡單、可靠，一周內(nèi)即可完成鋪疊、固化等全部過程，相對(duì)早期鋁合金百葉罩生產(chǎn)周期縮短將近3/4。本文所提出的周向抱合式組合模具，便于安裝和脫模，具有較好的自動(dòng)對(duì)心功能和重復(fù)拆裝精度，適合類似復(fù)雜曲面型結(jié)構(gòu)的成型。

為了驗(yàn)證材料、結(jié)構(gòu)和工藝的合理性，確定實(shí)際設(shè)計(jì)裕度，隨后安排了相應(yīng)的振動(dòng)試驗(yàn)。其中隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表3所示，以百葉罩內(nèi)嵌法蘭與次鏡的連接點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間不少于2min。對(duì)試驗(yàn)后的百葉罩進(jìn)行了外觀檢查和無損檢測，無分層、脫粘、裂紋等缺陷。

圖8 Kevlar 復(fù)合材料百葉罩照片F(xiàn)ig.8 Photo of shutter-type cover of Kevlar/epoxy composites

表3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.3 Parameters of random vibration test

4 結(jié)束語

以CFRP和AFRP為代表的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的金屬材料成為空間遙感器遮光罩的首選材料，已是不爭的事實(shí)。相對(duì)傳統(tǒng)的金屬材料而言，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料無疑具有更大的優(yōu)勢和靈活性，這對(duì)空間遙感器系統(tǒng)性能的提升起到了至關(guān)重要的作用。如何兼顧光學(xué)遙感器的特殊要求和復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，是我們?cè)诠こ袒瘧?yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。針對(duì)百葉罩這一新型的復(fù)雜曲面型遮光罩，本文提出了一種一體化成型方法，實(shí)現(xiàn)了Kevlar/環(huán)氧復(fù)合材料百葉罩的精密成型。各項(xiàng)檢驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果表明，包含尺寸與形位精度、力學(xué)性能在內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足空間遙感器系統(tǒng)的使用要求，解決了早期產(chǎn)品葉片厚度超差和振動(dòng)試驗(yàn)嚴(yán)重?fù)p傷的難題。

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