習(xí)穩(wěn)慶，湯小蓉，韓偉強(qiáng)，陳隨斌，吳文平

(1. 上海霍萊沃電子系統(tǒng)技術(shù)股份有限公司, 上海 201203； 2. 上海航天電子技術(shù)研究所， 上海 201109；3. 上海復(fù)合材料科技有限公司， 上海 201112)

引 言

目前我國(guó)在軌應(yīng)用的大型反射器天線絕大多數(shù)采用復(fù)合材料碳纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制作，其優(yōu)點(diǎn)包括剛度大、強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，熱膨脹系數(shù)小，在冷熱交變時(shí)形面變形較小，更適合天線空間要求[1-2]。

星載反射器一般構(gòu)型有固面形式和可展開形式。一般來說，對(duì)于曲率大的大口徑反射器，固面形式比可展開形式更容易實(shí)現(xiàn)。本文所介紹的反射器口徑不算太大，但對(duì)外接口較多，與該反射器連接載荷較復(fù)雜，所以選擇固面形式。目前國(guó)內(nèi)還沒有類似反射器天線。

該反射器初樣產(chǎn)品在正弦振動(dòng)試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)復(fù)振時(shí)整個(gè)天線的基頻比預(yù)振時(shí)下降約10 Hz，懷疑有較大損傷。多次探傷都沒有定論，最后結(jié)合仿真分析，將問題定位在主支撐件與反射面外蒙皮粘接面較小，當(dāng)受到較大側(cè)向剪切力時(shí)，粘接失效，影響了整體的結(jié)構(gòu)剛度。返修時(shí)，在主支撐件與反射面外蒙皮粘接面處增加了螺接，重新進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí)順利通過考核。

對(duì)初樣暴露出的設(shè)計(jì)問題，經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，在正樣產(chǎn)品中給予了改進(jìn)。本文指出初樣產(chǎn)品的主要問題，并與正樣設(shè)計(jì)對(duì)比，說明正樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性(正樣產(chǎn)品已經(jīng)過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證)。希望能夠?yàn)槌醮螐氖聫?fù)雜碳纖維反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員提供借鑒。

1 反射器結(jié)構(gòu)要求

該反射器內(nèi)表面為拋物面，口面直徑為2 000 mm，深度為410 mm。反射器預(yù)埋接口包括高頻板安裝接口、隔熱罩安裝接口、壓緊點(diǎn)支架接口、饋網(wǎng)安裝接口、機(jī)構(gòu)安裝接口、支桿固定和吊裝接口等。與該反射器連接的載荷較復(fù)雜，如：反射器中心位置有質(zhì)量約9 kg的饋網(wǎng)，有質(zhì)量約10 kg的高頻板，并且左右方向偏置安裝，有質(zhì)量約21 kg的二維機(jī)構(gòu)，也是前后方向偏置安裝。所以，該反射器不僅是一個(gè)電氣部件，更是一個(gè)有較多接口的結(jié)構(gòu)件，必須保證衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。反射器及各安裝接口如圖1所示，圖中，背筋(反射器的加強(qiáng)筋)做了半透明處理。反射器由反射面、背筋及各支撐件和預(yù)埋件組成[2-4]。該天線在衛(wèi)星發(fā)射階段處于收攏狀態(tài)，入軌后展開，在軌運(yùn)行階段天線隨機(jī)構(gòu)做二維掃描運(yùn)動(dòng)。

圖1 反射器及各安裝接口

2 初樣設(shè)計(jì)

2.1 反射面

反射面由內(nèi)外蒙皮、蜂窩及各埋件組成。內(nèi)蒙皮和外蒙皮為相同結(jié)構(gòu)：兩層碳纖維編織布結(jié)構(gòu)按照(±45)/(0/90)順序及方向鋪成，(0/90)靠近蜂窩內(nèi)外蒙皮中間的鋁蜂窩為芯格箔厚更薄的進(jìn)口蜂窩，蜂窩厚度為22 mm。由于反射面曲率較大，成型時(shí)，鋁蜂窩是4等份拼接而成。在反射面經(jīng)過熱壓罐固化后，進(jìn)行探傷檢查，合格后入庫。為了減重，副反射面安裝支桿固定接口、吊裝接口等埋件為單個(gè)金屬埋件。

2.2 背筋

為了提高反射器的剛度，在反射面背面設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋截面形狀為Ω形，如圖2所示。背筋由碳纖維編織布和無緯布鋪成[4]，鋪層厚度0.8 mm，鋪層順序?yàn)?0/90)/60/0/-60/(0/90)。碳纖維鋪層0°方向?yàn)橹魇芰Ψ较?，背筋靠近反射面外蒙皮的邊沿處，厚度?.8 mm過渡至0.5 mm，即鋪層順序?yàn)?0/90)/(0/90)。

圖2 背筋(初樣)

2.3 主支撐件

在反射面和背筋之間有5個(gè)主支撐件(有固定埋件)和2個(gè)輔助支撐件，各支撐件的鋪層厚度均為2.9 mm，由碳纖維編織布(厚度0.25 mm)和無緯布(厚度0.1 mm)鋪成，鋪層順序?yàn)?0/90)/(0/±45/90)6/(0/90)，按準(zhǔn)各向同性鋪設(shè)，見圖3。

圖3 支撐件與背筋膠結(jié)為一體

2.4 成型工藝

總裝成型工藝如下：1)將支撐件與背筋膠結(jié)，見圖4，然后膠結(jié)5個(gè)主支撐件的固定埋件；2)經(jīng)過多次試裝、修配，使得背筋及7個(gè)支撐件與反射面外蒙皮更好貼合；3)將背筋及7個(gè)支撐件與反射面膠結(jié)固化，膠固化后進(jìn)行探傷檢查(但不能對(duì)支撐件與反射面外蒙皮的膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行探傷檢查)；4)機(jī)加工各主支撐件的埋件。

圖4 反射器與背筋膠結(jié)的局部剖切

3 正樣設(shè)計(jì)

3.1 反射面

在正樣設(shè)計(jì)中，該反射面沒有較大更改。但在初樣產(chǎn)品起吊時(shí)吊點(diǎn)有鋁蜂窩的擠壓聲。為了提高起吊時(shí)反射器剛度、強(qiáng)度，滿足支桿固定定位要求，為該反射面吊點(diǎn)埋件及支桿固定埋件選擇鈦合金材料并設(shè)計(jì)為鏤空的整體結(jié)構(gòu)(見圖1中序號(hào)6)。

3.2 背筋

若背筋和主支撐件仍沿用初樣產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，只增加與主支撐件重疊部分背筋的厚度，會(huì)因背筋局部加厚而導(dǎo)致局部剛度增加，又因?yàn)槭遣灰?guī)則曲面，從而增加膠結(jié)難度。在對(duì)初樣產(chǎn)品返修時(shí)發(fā)現(xiàn)正樣產(chǎn)品不能這么設(shè)計(jì)。

根據(jù)多次仿真優(yōu)化，去掉原來包在5處主支撐件外面的凸出部分，使得背筋的加工工藝得到改進(jìn)。另外，根據(jù)仿真計(jì)算，需對(duì)背筋局部補(bǔ)強(qiáng)，見圖5，否則背筋將不能承載來自主支撐件的力。背筋的主要鋪層厚度保持不變，但在背筋最外層(遠(yuǎn)離與反射面外蒙皮的粘接面)使用±45°碳纖維編織布鋪層，提高結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。圖5中區(qū)域a表示在鋪層(±45)和(0/90)間增加碳纖維無緯布鋪層(60/0/-60)，區(qū)域a總厚度為1.4 mm，即鋪層順序?yàn)?±45)/(60/0/-60)3/(0/90)；區(qū)域b表示在鋪層(±45)和(0/90)間增加碳纖維無緯布鋪層(0/±45/90)，區(qū)域b總厚度為1.6 mm，鋪層順序?yàn)?±45)/(0/±45/90)/(60/0/-60)/ (0/±45/90)/(0/90)。

圖5 背筋(正樣)

3.3 主支撐件

與初樣產(chǎn)品相比，主支撐件處有較大改進(jìn)。原來7個(gè)支撐件與反射面外蒙皮膠結(jié)面積為0.047 m2，現(xiàn)在5個(gè)主支撐件與反射面外蒙皮的接觸面積為0.14 m2，并額外增加螺釘連接，減小膠結(jié)失效后結(jié)構(gòu)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)仿真結(jié)果，與機(jī)構(gòu)相連的主支撐件受力較小，因此設(shè)計(jì)其鋪層厚度為2.5 mm，鋪層順序?yàn)?±45)/(0/±45/90)5/(0/90)，見圖6，它不與背筋連接，只與反射面外蒙皮相連。

圖6 與機(jī)構(gòu)相連的主支撐件(含埋件)

對(duì)其余4個(gè)主支撐件的結(jié)構(gòu)形式以及與背筋的連接方式做了改進(jìn)。初樣時(shí)，主支撐件通過其側(cè)面與背筋膠結(jié)，而正樣時(shí)背筋因別的原因不能增加厚度(見圖4)，為了使主支撐件所承受載荷不全落在反射面外蒙皮局部位置，讓背筋與反射面外蒙皮膠結(jié)面部分承擔(dān)來自主支撐件的力，便在主支撐件上設(shè)計(jì)增加了1個(gè)近似平行于反射面外蒙皮的曲面，見圖7。該膠結(jié)面基本等于平面，易于工程實(shí)現(xiàn)，而且使得背筋能夠更多承受來自主支撐件的局部載荷。這4個(gè)主支撐件結(jié)構(gòu)類似(見圖1中序號(hào)3和圖7)，鋪層厚度及鋪層順序相同，主支撐件鋪層厚度與鋪層順序見表1。

圖7 正樣主支撐件1(不含埋件)

鋪層厚度/mm鋪層順序1.3(±45)/(0/±45/90)2/(0/90)1.7(±45)/(0/±45/90)3/(0/90)2.9(±45)/(0/±45/90)6/(0/90)4.6(±45)/(0/±45/90)3/(0/90)/(0/90)/(0/±45/90)6/(±45)

3.4 成型工藝

在反射器成型過程中，主要工序是：1)試裝5個(gè)主支撐件，按照位置要求，盡量使其與反射面外蒙皮貼合，暫時(shí)用螺釘固定；2)試裝背筋，使背筋與反射面外蒙皮和5個(gè)主支撐件的貼合面盡量貼合，允許局部修挫背筋或主支撐件；3)固定各主支撐件的埋件，膠結(jié)主支撐件與反射面，并用螺釘固定，膠固化后進(jìn)行探傷檢查，允許補(bǔ)膠；4)膠結(jié)背筋與反射面、主支撐件，并用鉚釘鉚接背筋與主支撐件貼合面，膠固化后進(jìn)行探傷檢查，允許補(bǔ)膠；5)機(jī)加工5個(gè)主支撐件埋件；6)檢測(cè)反射器形面及各接口尺寸。圖1中A視圖的放大剖切如圖8所示。

圖8 圖1中A視圖的放大剖切

3.5 強(qiáng)度校核分析

通過分析，在反射器加載后，主要受力部位是背筋及主支撐件，反射面應(yīng)力都較小。反射器仿真結(jié)果見表2，分別為反射器在X、Y、Z向的最大應(yīng)力值。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全裕度計(jì)算要求，對(duì)于屈服極限和強(qiáng)度極限載荷條件，儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件都應(yīng)具有正的安全裕度dMS(一般金屬為0～0.25，復(fù)合材料大于0.25)：

dMS=Sa/Se-1

(1)

式中：dMS為安全裕度，應(yīng)大于0；Sa為許用應(yīng)力(屈服極限、強(qiáng)度極限等除以安全系數(shù))；Se為鑒定載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。在計(jì)算過程中，取安全系數(shù)為1.35。

碳纖維經(jīng)單向板試片數(shù)據(jù)由反射面生產(chǎn)廠家提供。各方向仿真響應(yīng)及安全裕度見表2，從表中可以看出，反射面各主要受力部位安全裕度均大于0.25，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表2 各方向仿真響應(yīng)及安全裕度

注：SX為0°拉伸強(qiáng)度；SY為90°拉伸強(qiáng)度；SXY為縱橫剪切強(qiáng)度；SXZ、SYZ為層間剪切強(qiáng)度。

4 對(duì)比分析

正樣設(shè)計(jì)改進(jìn)主要包括：

1)增大了主支撐件與反射面外蒙皮的膠結(jié)面積且主支撐件結(jié)構(gòu)形式也有較大改進(jìn)。

2)原背筋厚度較薄，不能承受主支撐件的較大載荷變形，即背筋起不到較大的作用。在正樣設(shè)計(jì)時(shí)，局部增加了背筋厚度，且將主支撐件與背筋的粘接面增大，使得主支撐件可以將部分載荷分配給背筋。

3)正樣時(shí)，主支撐件與反射器先膠結(jié)后螺接，還可以進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，如有膠結(jié)缺陷可在下道工序(膠結(jié)背筋與反射器)前修補(bǔ)；但在初樣時(shí)，主支撐件先與背筋膠結(jié)，再與反射面膠結(jié)，那么反射器與主支撐件的膠結(jié)質(zhì)量因?yàn)楸槐辰畎鵁o法知曉。

5 結(jié)束語

通過改進(jìn)主支撐件與背筋的連接形式，增大受力結(jié)構(gòu)的膠結(jié)面積，并采用膠結(jié)加螺接或鉚接，增加了分配給背筋的載荷，相應(yīng)地減小了反射面局部載荷，最終提高了該反射器的力學(xué)性能，同時(shí)滿足電性能設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝滿足使用要求。

經(jīng)過對(duì)該反射器的反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)到對(duì)于復(fù)合材料設(shè)計(jì)與加工，必須優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)形式及鋪層設(shè)計(jì)，增加受力結(jié)構(gòu)膠結(jié)面積，重要受力部位必須膠結(jié)加螺接或鉚接，簡(jiǎn)化成型工藝以使質(zhì)量檢測(cè)易于操作和通過。該反射器正樣設(shè)計(jì)具有成型工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、容易檢測(cè)的特點(diǎn)。熱真空、力學(xué)試驗(yàn)[5]和電性能測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足正樣衛(wèi)星產(chǎn)品使用要求，對(duì)類似復(fù)雜星載反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定借鑒價(jià)值。