王海東，秦澤云，李金良，王慶東，劉利文

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

平方公里陣(SKA)是多國合作的國際大科學工程，其計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，致力于回答宇宙起源和基本力等問題[1–3]。SKA 擬由約 2 500～3 000 面 15 m 口徑拋物面天線、250 個直徑約60 m 的致密孔徑陣列及250 個直徑180 m的稀疏孔徑陣列組成，分布在3 000 km 范圍形成望遠鏡陣列。SKA 將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡，具有極高分辨率與快速成像能力，將為人類認知宇宙提供重大機遇[3]。中國驗證天線(DVA–C)是我國針對SKA 反射面天線單元，結合國際先進設計理念與成熟工程經驗研制的、具有自主知識產權的一套原理樣機[4]。其主要技術指標包括：主反射面口徑為15 m×18 m (如圖1 所示)，有效面積243 m2，型面精度≤ 1 mm，質量≤ 2 t。

圖1 主反射面三維模型

傳統(tǒng)復合材料天線反射面的制造多采用熱壓罐、烘箱和手糊等成型工藝，不適用于大尺寸面板的成型[5]。故對于DVA–C 大口徑復合材料整體成型天線反射面，幾乎沒有可借鑒經驗，其技術難點對工業(yè)界提出了極大挑戰(zhàn)，需開展大量工藝研究，包括：大尺寸模具設計與制造研究、表面金屬化研究、樹脂體系選型研究、大口徑天線反射面真空灌注工藝研究、低成本固化方法研究和網格結構背架一體化膠粘裝配研究等，需要突破諸多關鍵技術，筆者所在課題組針對這些問題進行了研究，并取得了相關成果。

1 主反射面的成型制備研究

1．1 大尺寸模具設計與制造研究

為制備15 m×18 m 復合材料天線反射面，其模具需滿足的主要技術要求如下：

(1) 模具形式為整體拼裝，型面保證連續(xù)；

(2) 主面模具型面精度≤0.4 mm；

(3) 模具具有良好的氣密性，在–0.092 MPa 真空壓力下，保壓≥30 min。

對于大尺寸天線反射面模具，采用傳統(tǒng)金屬鑄造模具存在諸多缺點：模具分塊會較多，拼裝困難，密封性差，型面精度難以保證；金屬材料散熱較快，加熱固化困難；模具加工周期長，質量較重，成本高。

通過反復調研和試驗驗證，確定DVA–C 天線模具由剛性結構和模具型面組成，其中剛性結構采用鋼架和多個隨型鋼隔板構成，焊接完成后整體進行退火去應力處理，保證模具整體剛強度，同時達到減重目的。模具型面由方管層、玻璃鋼層和樹脂層構成(如圖2 所示)。

圖2 反射面模具結構組成示意圖

首先對不同區(qū)域處方管按確定弧度折彎，密集排列并焊接在鋼隔板陣列上，提供模具基本型面；然后按預先設計的鋪層方案進行玻璃鋼層的糊制，保證模具型面的力學性能；最后利用擠壓機整體滾壓一定厚度的環(huán)氧代木層，固化后用CNC 數控加工模具型面，滿足型面密封性和精度要求。同時對主面模具分塊拼接位置進行整體化密封設計，保證其拼接密封性要求，反射面模具數模及實物如圖3和圖4 所示。

通過在Qt Creater環(huán)境中新建一個Qt Widgets Application應用程序，并新建一個繼承于QMainWindow類的MainWindow窗口類，設計一個主界面，方便用戶添加學生信息，管理學生信息功能的選擇，其中管理學生信息包括了對學生信息的瀏覽，查詢，修改，刪除等功能，如圖1所示。

圖3 反射面模具三維模型

圖4 主反射面模具實物

最終制備的單塊模具精度0.17 mm，整體拼裝精度0.35 mm，整體模具密封性良好。

1．2 表面金屬化研究

針對大口徑天線反射面的表面金屬化，其難點主要是如何保證大面積金屬層的連續(xù)性與均勻性。

金屬層與真空灌注樹脂滿足結合力要求(ISO 240–2013 標準)，金屬層及轉移膜平整連續(xù)無漏噴無開裂，通過在轉移膜中添加著色劑的方法，可及時發(fā)現漏噴及噴涂不均勻區(qū)域，并進行處理，保證轉移膜層的整體性和均勻性。

通過反復試驗，確定金屬火焰噴涂的工藝參數為：噴槍距模具表面距離為350～400 mm，噴涂速率為250～300 mm／s，通過以上研究，成功制備了平整、連續(xù)、無漏噴、無開裂的金屬反射層，其現場操作如圖5 所示。

圖5 現場金屬化噴涂示意圖

1．3 樹脂基體選型研究

復合材料常用的樹脂體系包括不飽和樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等，筆者擬采用真空灌注工藝，針對DVA–C 大口徑天線反射面，由于是薄壁、大面積，其真空灌注工藝對樹脂體系的要求較高，主要指標有：

(1) 黏度低，黏度≤ 500 mPa·s；

(2) 可操作時間較長，t≥180 min；

(4) 玻璃化轉變溫度(Tg)滿足地面環(huán)境要求，Tg≥ 100℃。

對國內外常用8 種不同體系真空灌注樹脂按照上述指標要求進行篩選，最終優(yōu)選出最佳基體樹脂是MT5702，其性能如下：黏度225 mPa·s，可操作時間192 min，固化溫度60℃，Tg110℃，拉伸強度85 MPa，壓縮強度 120 MPa，彎曲強度 125 MPa，沖擊韌性 65 kJ／m2。

通過動態(tài)黏度和等溫黏度–時間曲線的測試及分析，確立樹脂體系黏度模型，并完成天線反射面真空灌注工藝窗口預報，該樹脂體系等溫黏度模型及工藝窗口預報分別如式(1)和圖6 所示[6]。

該樹脂體系在20～40℃的溫度范圍內充模工藝窗口時間在126～181 min 之間，適用于大尺寸天線反射面VARI 成型的工藝要求。該樹脂各項力學性能及其復合材料力學性能既滿足了設計指標要求，又實現了降低固化溫度的期望，為大尺寸整體化復合材料天線面板的型面精度控制提供了重要技術支持。

圖6 樹脂體系工藝窗口預報

1．4 大口徑天線反射面真空灌注工藝研究

真空灌注工藝在復合材料成型過程中能夠預先除去模具與纖維預成型體之間的空氣，有效提高了樹脂在纖維增強材料中的流動能力，是制得高質量復合材料制品的保證[7]。與其他的復合材料成型工藝相比，真空灌注工藝更適合于成型大厚度、大尺寸的制件，通過合理的流道設計，實現樹脂對纖維增強材料的充分浸漬，降低工藝風險[8]。

天線反射面的真空灌注研究主要是對樹脂導流方式的選擇，在保證樹脂充分浸潤預成型體的基礎上，盡量提高流動效率，縮短充模時間，以適應樹脂的凝膠時間。

通過試驗測試預成型體滲透率，利用有限元分析軟件RTM–Worx 分別對DVA–C 天線主面進行充模流動仿真模擬，選擇最佳流道設計方案。從仿真結果可以看出，主面的4 種導流方式(直線式、環(huán)式、魚骨式和放射式)中，以放射式導流方式充模時間最短，流動效率最高，確定為主面流道設計方案，并在實際布置時通過增加注膠口數量來提高樹脂注入量，以提高效率，降低風險[9-10]。放射式導流方式仿真結果如圖7 所示。

圖7 主反射面導流方式仿真結果

為便于工藝操作，保證樹脂充模效率，對實際流道布置進行如下優(yōu)化：注膠設計由一個注膠口增加為8 個，將48 根流道分為8 組，6 根導流管共用一個注膠口，從而增加注膠量。同時在環(huán)狀中心增加1 個抽氣口以排除中部導流環(huán)內空氣，保證纖維浸漬質量。利用該方案順利完成了15 m×18 m 大口徑天線面蒙皮的成型，工藝實施過程如圖8 所示。

圖8 主反射面真空灌注工藝實施示意圖

1．5 低成本固化方法研究

對于大尺寸復合材料整體天線反射面，若采用熱壓罐、模壓機、烘箱等方法加熱固化，設備尺寸要求過大，制造成本高昂。而傳統(tǒng)的電熱毯加熱方式，因為天線面板的復雜型面而難以保證其與復合材料表面充分貼合，影響傳熱效率和加熱均勻性[11，12]。故需要研究一種低成本的固化方法，能夠適應大曲率的復雜型面，同時能夠進行分區(qū)域加熱控制，保證整體加熱均勻性。

柔性電熱膜屬于一種復合性高分子電熱膜(如圖9 所示)，其表面散熱面積大，加熱過程中溫度分布均勻，具有良好的柔韌性，可緊貼載體，熱轉化效率較高，有望實現制件的低成本固化[13]。

圖9 柔性電熱膜實物及結構示意圖

針對大尺寸復雜型面制品的固化，主要保證其固化溫度均勻性，從而保證制品不同區(qū)域同步固化，提高其整體質量。通過研究柔性電熱膜的鋪放方式、溫度制度對復合材料固化過程溫度分布和固化程度的影響，結果表明：三種鋪覆方式中，與搭接鋪覆和間隔鋪覆相比，拼接鋪覆的溫度均勻性最佳，分別提高了26.7%和38.9%，故選擇拼接鋪覆作為DVA–C天線主面固化時電熱膜鋪覆方式。同時在電熱膜加熱固化的升溫階段，增加恒溫平臺，能夠有效縮小制品不同位置的溫差值，提高均勻性[14]。

采用柔性電熱膜加熱方法實現了大尺寸復合材料整體天線反射面的固化成型，根據測試結果顯示，產品尺寸精度、固化程度和玻璃化轉變溫度均滿足使用要求，說明該固化方法是可行的針對大型復雜型面構件的加熱固化方法，在降低固化成本同時保證了制品的加熱均勻性，工藝實施如圖10 所示。

圖10 主反射面電熱膜固化工藝實施示意圖

2 空間網格結構背架的成型制備研究

2．1 橫縱筋真空灌注工藝優(yōu)化

根據橫縱筋外形設計真空流道，上端鋪設一條注膠管，預留三個注膠口，下端鋪設一條抽氣管，根據背筋長度按需求預留2 個或多個抽氣口，流道設計示意圖如圖11 所示。按背筋流道設計方案，依次鋪放真空袋、下層導流網、下層脫模布、預成型體、上層脫模布、上層導流網，用真空袋完全包覆并密封，連接外部注膠管、抽氣管，開啟真空泵，保壓30 min，配制樹脂、攪拌均勻并導入，輔材鋪覆及真空灌注過程如圖12 所示。

圖11 橫縱筋流道設計示意圖

圖12 橫縱筋真空灌注過程

2．2 網格結構背架的膠粘組裝

橫縱筋通過在確定位置開槽并組裝為網格結構背架，通過膠接工藝與蒙皮粘接成一體，網格結構背架的膠粘組裝有以下幾點要求：①背架在蒙皮上定位準確；②背架整體粘接，同時固化；③主反射面環(huán)筋加強；④背筋和蒙皮膠接位置隨形加強；⑤橫縱筋交叉處“L”型加強，具體實施過程如圖13所示。

圖13 天線反射面背架組裝

3 吊裝及測試

天線反射面膠接組裝完成、固化結束后，需通過多種組合方式完成其脫模、吊裝，并通過金屬背架連接為整體，如圖14 所示。

圖14 主反射面吊裝

利用攝影測量系統(tǒng)對DVA–C 樣機天線反射面精度進行測試，其結果為：天線反射面型面精度為0.9 mm，質量1.9 t，滿足其技術指標要求，圖15 為測試過程示意圖。

圖15 DVA–C 樣機測試

4 結論

(1)通過采用鋼結構桁架復合玻璃鋼可加工樹脂模具技術，制備了15 m×18 m 大尺寸天線反射面模具，整體型面精度可達0.35 mm，密封性良好，滿足使用要求。

(2)通過研究轉移膜著色技術和噴涂技術，確定金屬火焰噴涂工藝參數為：噴槍距模具表面距離為350～400 mm，噴涂速率為250～300 mm／s，并成功制備了平整、連續(xù)、無漏噴、無開裂的金屬反射層。

(3)通過樹脂基體選型研究和大口徑天線反射面真空灌注研究，確定樹脂體系為MT5702，并以放射式流道作為真空導流方式，完成了大口徑天線反射面的成型制備。

(4)開發(fā)了復合材料柔性電熱膜低成本加熱固化技術，產品尺寸精度、固化程度和玻璃化轉變溫度均滿足指標要求。

(5)利用真空灌注工藝完成了橫縱筋的成型，并組裝為網格結構背架，通過膠接工藝與蒙皮粘接成一體，完成15 m×18 m 大口徑復合材料天線反射面的整體組裝。

(6)將天線反射面通過吊裝、螺連與金屬背架連接為整體，并利用攝影測量系統(tǒng)進行精度測試，結果為0.9 mm，質量結果為1.9 t，均滿足其技術指標要求。