馬 立，楊鳳龍 ，陳維強(qiáng)，齊衛(wèi)紅，李艷輝

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尺寸高穩(wěn)定性復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的研制

馬 立1，楊鳳龍1，陳維強(qiáng)1，齊衛(wèi)紅2，李艷輝2

（1．北京衛(wèi)星制造廠；2. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司：北京 100094）

介紹了某衛(wèi)星復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的研制情況，通過材料選擇、鋪層設(shè)計(jì)、材料的熱膨脹系數(shù)測試與分析，制造了高精度的復(fù)合材料桁架，并測量了結(jié)構(gòu)的熱變形。測量結(jié)果表明：采用高模量碳纖維復(fù)合材料能夠制造出熱變形只有微米級的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這是針對超穩(wěn)衛(wèi)星平臺所需的尺寸高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的首次成功探索。文章最后對進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)熱變形、提高尺寸穩(wěn)定性和測量精度提出了建議。

尺寸高穩(wěn)定性；復(fù)合材料；桁架；熱膨脹系數(shù)；微變形測量

0 引言

尺寸高穩(wěn)定性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)、高精度航天器結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。美國和西歐國家自20世紀(jì)90年代開始研究零膨脹、高/超高穩(wěn)定性的航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，主要用于太空望遠(yuǎn)鏡[1-3]及其他光學(xué)儀器的支撐結(jié)構(gòu)[4-5]、天線反射面[5]和重力梯度儀基座[6]等。目前，歐空局“2015—2025宇宙愿景計(jì)劃”已開展的科研項(xiàng)目有太陽軌道器、歐幾里得探測器、柏拉圖太空望遠(yuǎn)鏡等，這些航天器上均裝載著多個(gè)精度非常高的光學(xué)儀器和探測設(shè)備。為了保證這些儀器、設(shè)備的工作精度，必須為其提供高/超高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)平臺，同時(shí)為了降低探測器的結(jié)構(gòu)重量，需采用輕質(zhì)材料制造。

傳統(tǒng)的航天器結(jié)構(gòu)一般只要求高剛度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)量，對于尺寸穩(wěn)定性的要求不是很高。但近年來，隨著遙感衛(wèi)星、空間探測器、太空望遠(yuǎn)鏡等高精度航天器對超穩(wěn)平臺的需求，航天科研人員在尺寸高穩(wěn)定性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面的研究也逐漸深入。

2010年以來,我國航天領(lǐng)域也開展了尺寸高穩(wěn)定性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用研究，主要用于衛(wèi)星相機(jī)和其他精密儀器設(shè)備的支撐，目前已有成功飛行的經(jīng)歷。2013年，中國空間技術(shù)研究院研制的

某衛(wèi)星高穩(wěn)定、高精度復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)（以下簡稱桁架結(jié)構(gòu)）如圖1所示，承載著敏感器、天線等精密設(shè)備。

圖1 高穩(wěn)定桁架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)衛(wèi)星的任務(wù)要求，該桁架結(jié)構(gòu)不僅需要滿足承載強(qiáng)度要求，而且還要保證其上設(shè)備與基準(zhǔn)的相對位置或指向關(guān)系穩(wěn)定不變，即在外部環(huán)境條件變化時(shí)，其結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化很小或趨于零。為了滿足設(shè)備的高精度安裝及在軌高穩(wěn)定性的要求，必須首先保證該桁架結(jié)構(gòu)的制造精度及在軌的熱穩(wěn)定性。

1 材料選擇

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)常用的金屬材料有鋁合金、鈦合金、殷鋼等，非金屬材料主要是碳纖維樹脂基復(fù)合材料，表1列出了這些常用材料的性能數(shù)據(jù)。

表1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)常用材料的性能

鋁合金由于密度小、易加工、價(jià)格適中，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)。但由于其熱膨脹系數(shù)較高，對于要求熱變形小的結(jié)構(gòu)則不適用。殷鋼是目前金屬材料中熱膨脹系數(shù)最低的材料，經(jīng)常用于復(fù)合材料成型模具的制造，但因?yàn)槠涿芏容^大、價(jià)格昂貴、加工困難，很少用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件。鈦合金由于熱膨脹系數(shù)較低、密度介于鋁合金和殷鋼之間，比強(qiáng)度高，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中也時(shí)有應(yīng)用。

碳纖維本身是負(fù)膨脹的，T300高強(qiáng)度碳纖維的熱膨脹系數(shù)是-0.41×10-6℃-1；隨著碳纖維模量的增加，熱膨脹系數(shù)進(jìn)一步降低。以國產(chǎn)HM2高模量碳纖維為例，其熱膨脹系數(shù)為-0.83×10-6℃-1。通過合理的鋪層設(shè)計(jì)，可以獲得近零膨脹的復(fù)合材料。碳纖維不吸濕、在真空環(huán)境中沒有放氣現(xiàn)象，同時(shí)又具有非常高的比模量，因此是制造高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的首選材料[7]。

2 復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)與熱膨脹系數(shù)的關(guān)系

2.1 技術(shù)指標(biāo)要求

該桁架結(jié)構(gòu)在熱控措施的保護(hù)下，工作環(huán)境溫度介于20～45℃之間。為保證其上設(shè)備的工作精度，對設(shè)備在軌期間的位置和指向精度提出了嚴(yán)格的要求：

1）天線a安裝點(diǎn)相對敏感器c安裝點(diǎn)（點(diǎn)）的距離變化小于1μm/K；

2）敏感器a安裝面相對測量坐標(biāo)系（）的指向變化小于15″；

3）敏感器b安裝面相對測量坐標(biāo)系（）的指向變化小于15″；

4）天線b中心相對衛(wèi)星質(zhì)心的位置變化小于0.1mm/3K。

上述指標(biāo)中，最關(guān)鍵的是第1）項(xiàng)，即控制桁架結(jié)構(gòu)長度方向（圖2的向）的熱變形。經(jīng)指標(biāo)分解，桁架中桿件的軸向熱膨脹系數(shù)的絕對值不大于0.5×10-6℃-1。

圖2 桁架結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系

2.2 鋪層設(shè)計(jì)及熱膨脹系數(shù)理論計(jì)算

利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，通過鋪層設(shè)計(jì)可以獲得近零膨脹的復(fù)合材料，進(jìn)而制造出高穩(wěn)定的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目研制的桁架桿件采用環(huán)氧樹脂為基體、國產(chǎn)HM2高模量碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，其工程常數(shù)見表2。

表2 HM2碳/環(huán)氧復(fù)合材料的工程常數(shù)

利用經(jīng)典層合板理論計(jì)算、對比，最終優(yōu)選出桿件鋪層方式為[±45/0/90/0/±45]s。理論計(jì)算得出這種鋪層方式的復(fù)合材料縱向熱膨脹系數(shù)為-0.08×10-6℃-1，橫向熱膨脹系數(shù)為4.64×10-6℃-1。

2.3 熱膨脹系數(shù)測試

按照上述鋪層方式制備了熱膨脹試樣，其規(guī)格為25mm×5mm×2mm；參照標(biāo)準(zhǔn)QJ1522《剛性固體低溫線性熱膨脹系數(shù)測試方法》進(jìn)行測試，測試設(shè)備為德國耐馳公司的DIL402C熱膨脹儀； 測試條件為溫度范圍-20～+60℃，升溫速率5℃/min。測試結(jié)果見表3，表中給出的是試樣在-10～+50℃范圍內(nèi)的縱向平均熱膨脹系數(shù)。測試結(jié)果顯示，該鋪層方式的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，其絕對值基本滿足2.1節(jié)中對桿件軸線方向熱膨脹系數(shù)不大于0.5×10-6℃-1的指標(biāo)要求。

為了考察復(fù)合材料在高低溫循環(huán)過程中熱膨脹系數(shù)是否有變化，重復(fù)測試了試樣的熱膨脹系數(shù)，如表3所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是穩(wěn)定的，并不隨冷熱交變次數(shù)的增加而發(fā)生變化，這也是選擇高模量碳纖維復(fù)合材料用于尺寸高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的原因所在。

表3 熱膨脹系數(shù)重復(fù)測試結(jié)果

Table 3Repeated test data of CTE

×10-6℃-1

試樣編號1#2#3#4# 第1次-0.2899-0.2999-0.0896-0.5106 第2次-0.3001-0.2870-0.0536-0.5207 第3次-0.3142——— 平均值-0.3014-0.2935-0.0716-0.5157

2.4 熱膨脹系數(shù)理論預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果差異的分析

比較2.2節(jié)理論計(jì)算的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和2.3節(jié)試驗(yàn)測得的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著一定的偏差。分析認(rèn)為可能有3個(gè)方面原因：

1）復(fù)合材料熱性能分析的理論還不成熟

現(xiàn)階段，對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)預(yù)測的理論研

究還較少[8-10]，復(fù)合材料熱性能是一個(gè)尚待深入探索的研究領(lǐng)域。

2）復(fù)合材料的非均質(zhì)性

由于復(fù)合材料是手工制備的，所以材料的性能受操作影響較大。另外，由于內(nèi)部存在孔隙、樹脂分布不均勻、纖維狀態(tài)不一致等因素，即使是從同一產(chǎn)品上取樣，試樣間也存在著一定差異，所以同一批次復(fù)合材料試樣的熱膨脹系數(shù)差異較大。表3所示測試結(jié)果也印證了材料非均質(zhì)性帶來的測試數(shù)據(jù)離散性。

3）熱膨脹系數(shù)的測試誤差

測試儀器的精度會造成材料熱膨脹系數(shù)的測量誤差。單向復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)1（縱向熱膨脹系數(shù)）和2（橫向熱膨脹系數(shù)）測試結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到疊層復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)1和2的測試結(jié)果與材料的真實(shí)值相差不大于1×10-8℃-1時(shí)，理論計(jì)算值才能與實(shí)測值吻合。然而，1×10-8℃-1是當(dāng)前熱膨脹系數(shù)測試儀器精度的極限。

測試方法、環(huán)境條件對復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)測試結(jié)果也有影響。筆者將與2.3節(jié)同一批次、編號為A#～D#的試樣送另一家有資質(zhì)的單位進(jìn)行測試，利用其自研的熱膨脹儀，參照標(biāo)準(zhǔn)GJB 332A—2004《固體材料線膨脹系數(shù)測試方法》進(jìn)行測試；試樣規(guī)格為65mm×15mm×2mm；按高溫、低溫環(huán)境條件分別測試，低溫的溫度范圍為-5℃～室溫，高溫的溫度范圍為室溫～50℃，測試結(jié)果見表4。