張靜

(中航飛機股份有限公司復(fù)合材料廠 陜西西安 710089)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，材料技術(shù)得到了飛速發(fā)展。先進復(fù)合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量已成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進性標(biāo)志之一[1-2]。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕量化對衛(wèi)星功能和發(fā)射成本的影響至關(guān)重要，而選用復(fù)合材料是實現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑[3]。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)( 太陽能電池基板、框架)、天線系統(tǒng)、各種支撐結(jié)構(gòu)件等已基本上做到了復(fù)合材料化。但隨著衛(wèi)星制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料天線的精度等級要求愈來愈高。對于大尺寸、高型面精度的天線來說，復(fù)合材料構(gòu)件的變形控制和型面穩(wěn)定性是當(dāng)務(wù)之急[4-6]。本文主要針對某型號衛(wèi)星點波束天線反射器在試驗過程中存在的質(zhì)量問題進行分析，通過蜂窩芯拼接預(yù)成型、中心圓環(huán)安裝孔鉆制、復(fù)材模具型面修整、壓力墊制作方案調(diào)整、蒙皮與蜂窩芯配合不當(dāng)處增加膠膜等一系列工藝改進措施，解決了熱真空及振動試驗后反射器型面精度變化較大，上蒙皮出現(xiàn)多處脫粘的問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

某型號點波束天線反射器（見圖1）為碳纖維蒙皮/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮材料為M40J碳纖維單向帶預(yù)浸料，上、下蒙皮均為4層，鋪貼順序按0°/45°/-45°/90°對稱，膠膜使用的REDUX312-100GSM，蜂窩芯為BC1.8-3/8P-15有孔鋁蜂窩（見圖2）。該反射面為環(huán)焦反射面，投影口徑1000mm，設(shè)計要求型面精度RMS≤0.1mm。

圖1 點波束天線反射器結(jié)構(gòu)

圖2 反射器鋪層結(jié)構(gòu)

2 成型工藝

此類產(chǎn)品的反射面一般的成型工藝是采用兩步成型法：（1）以金屬成型模為依據(jù)制造一個復(fù)材成型模，在復(fù)材成型模上固化成型反射面的上蒙皮；在金屬成型模上固化成型反射面的下蒙皮；（2）在金屬成型模上將上、下蒙皮及鋁蜂窩芯組合膠接固化反射面零件。

反射面蒙皮的固化溫度為13 5℃±5℃，壓力0.3MPa，蒙皮與蜂窩芯組合固化溫度為120±5℃，壓力0.15MPa。

3 存在問題及原因分析

使用M40J碳纖維預(yù)浸料和中溫膠膜REDUX312UL，采用兩步成型法成型后反射面在實際使用過程中存在幾個方面的問題：

（1）反射器在進行-196℃～128℃高低溫循環(huán)試驗后，上蒙皮與蜂窩芯膠接面局部脫粘；

（2）熱真空及振動試驗后，反射器型面精度變化較大，不能滿足設(shè)計要求。

從該反射器的設(shè)計選材、成型工藝、操作過程以及后續(xù)試驗環(huán)境多個方面綜合考慮，主要原因有以下幾個方面。

（1）該反射器雖口徑不大，但焦深較大，整張鋁蜂窩芯在鋪貼過程中貼胎會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。從實際操作的狀態(tài)來看，蜂窩芯必須經(jīng)過長時間的真空壓實才能達(dá)到較好的與蒙皮貼合的狀態(tài)。

（2）上、下蒙皮分別在球墨鑄鐵、假件上成型，由于蒙皮材料與工裝熱膨脹系數(shù)的差異，固化后蒙皮存在一定程度的變形，蒙皮與蜂窩芯組合時配合狀態(tài)不佳，而且設(shè)計選用的膠膜厚度僅0.1mm，因此固化過程中蒙皮與蜂窩芯之間可能會存在弱粘接的區(qū)域。

（3）用于成型反射面上蒙皮的復(fù)材模具是按金屬模具成型，其工作面型面精度與理論型面有一定的差異，導(dǎo)致反射面上蒙皮的型面偏差會略大。

圖3 REDUX312UL膠膜剪切強度隨環(huán)境溫度的變化

（4）由于該反射器的特殊使用環(huán)境，其熱真空試驗溫度與所用膠膜的固化溫度基本一致，而膠膜的力學(xué)性能在接近固化問題的環(huán)境條件下有明顯下降，130℃環(huán)境溫度下膠膜剪切強度與室溫下相比下降了55%。詳見圖3。若反射器成型過程中內(nèi)應(yīng)力較大，且存在弱粘接區(qū)域，反射器在熱真空試驗高低溫反復(fù)循環(huán)過程中內(nèi)應(yīng)力大于粘接強度，就會造成弱粘接位置蒙皮脫粘，且反射器型面會出現(xiàn)較大變化。

綜合上述原因，在不更改設(shè)計選材的前提下，為避免反射器在實際使用過程中出現(xiàn)上述問題，就必須從整個操作過程中盡可能地減小反射器成型過程中的內(nèi)應(yīng)力，避免反射器蒙皮與蜂窩芯粘接時出現(xiàn)弱粘接。

4 改進方案

（1）蜂窩芯由整張鋪貼改為5塊對稱拼接，并在組合前使用泡沫膠拼接后進行預(yù)固化成型。減小蜂窩芯在組合固化過程中貼胎產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免反射器在使用過程中因內(nèi)應(yīng)力釋放造成型面不穩(wěn)定。

（2）用于上蒙皮鋪貼的假件在成型后按工裝上的中心圓環(huán)外形線使用掏空鉆掏出中心孔，并按此中心孔的外形制出上蒙皮中心圓環(huán)安裝孔，避免劃線鉆孔造成上、下蒙皮中心圓環(huán)安裝孔位置不協(xié)調(diào)，影響反射器成型后的型面精度。

（3）用于成型上蒙皮的復(fù)材模具通過攝影測量法對工作面進行型面檢測，并按照實際偏差對工作面進行打磨修整。

（4）蜂窩芯拼接預(yù)成型時，在蜂窩芯翻邊的余量區(qū)粘貼壓敏膠帶，待反射器固化成型后再去除蜂窩邊緣余量，有效避免了蜂窩芯在拼接預(yù)成型及反射器組合固化時在真空壓力作用下收縮，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）為保證壓力墊在反射器固化時能起到均勻傳壓的作用，壓力墊成型時，在兩層AIRPID之間鋪貼一層1581玻璃纖維預(yù)浸料，使成型后的壓力墊具有一定的剛性。另外壓力墊成型時，在校準(zhǔn)埋件安裝位置放置定位銷，保證壓力墊上的校準(zhǔn)埋件定位孔位置相對準(zhǔn)確，避免因定位孔位置不準(zhǔn)造成壓力墊局部傳壓不均。

（6）為保證反射器粘接強度，避免熱真空后出現(xiàn)蒙皮脫粘，在上蒙皮與蜂窩芯之間加鋪一層膠膜。

5 結(jié)語

使用改進后方法生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過了用戶的熱真空試驗及力學(xué)振動試驗的測試，反射器型面精度在試驗前后能夠保持穩(wěn)定，未發(fā)生顯著變化，且沒有出現(xiàn)蒙皮脫粘的現(xiàn)象。