碳纤维复合材料高精度天线反射器的制造技术研究

王学春

摘 要：随着航天技术的迅速发展，航天产品上使用的复合材料制件也越来越多，并呈现零件尺寸大、孔位精度高、外形结构复杂等特点。其中，复合材料天线反射器是航天产品复合材料制件中的一项重要部件，每颗航天卫星的用途不同，需要配套的反射器口径尺寸、型面精度需求也不同。近年来，碳纤维复合材料天线反射器趋向大口径、高精度方向发展，按照以往传统的制造工艺，已经无法满足航天卫星产品发展的需求。该文主要针对碳纤维复合材料高精度天线反射器的制造技术进行研究，研制满足设计精度要求的碳纤维复合材料反射器。

关键词：高精度 碳纤维复合材料 天线反射器 型面精度

中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（c）-0097-03

先进复合材料具有强度高，刚度高、可设计性强、重量轻、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等独特优点，近年来不仅在航空、汽车、船舶、建筑等领域广泛使用，随着航天技术的迅速发展，航天产品上使用的复合材料制件也越来越多，并呈现零件尺寸大、孔位精度高、外形结构复杂等特点，常见的有复合材料天线反射器、支撑结构、支撑杆、馈源等各种类型结构的部件。其中，大口径、高精度复合材料天线反射器制造技术成为 广泛研究的趋势。

随着航天技术的发展，对复合材料天线反射器型面均方根误差值（RMS）要求和装配精度要求越来越高，口径2 m的反射器型面均方根误差值（RMS）从常规的0.20 mm提高到0.05 mm以内。以往制造中，综合考虑工装的热膨胀系数、加工周期、制造成本等方面的因素，天线反射器工装材料选用球墨铸铁，该材料基本能够满足1 m以下天线反射器产品的制造精度要求。但由于球墨铸铁材料热膨胀系数与复合材料热膨胀系数存在较大的差异，导致天线反射器在中、高温固化时成型模与反射器零件热变形量不同，对反射器固化后的型面精度影响较大，因此球墨铸铁材料很难满足1 m以上口径赋形反射器的型面均方根（RMS）精度要求。因此，为了提高较大口径（1.5 m以上）赋形反射器型面精度，就必须在制造工艺、工装材料等方面进行改进。

该文以某卫星天线反射器制造为例，结合以往复合材料天线反射器的制造经验，开展大口径复合材料高精度天线反射器的制造技术研究。

1 产品结构及特征

1.1 基本结构

某卫星碳纤维复合材料天线反射器主要选用高强度、高模量的M40J/环氧系列碳纤维预浸料面板/铝蜂窝夹层结构，见图1。

1.2 产品组成及指标要求

该碳纤维复合材料天线反射器主要包括主反射面及背筋结构，见图2。

该天线反射器口径约2 000 mm，拱高330 mm，天线反射器型面精度RMS≤0.05 mm。从产品结构和特征上分析，该天线反射器口径较大，拱高较高，尤其是型面精度要求高，如何保证型面精度是该天线反射器的关键技术难点。

根据技术难点及指标要求，从工装方案、工艺措施、制造过程精度控制等方面采取有效措施保证型面精度。

1.3 反射器成型工装方案的选择

天线主反射器组件由主反射面和背筋组成，为了同时保证背筋装配精度，反射器工装形式采用凸模成型与卡板定位相结合的结构，即成型胶合夹具。

复合材料零件成型较多使用金属成型模。但为了控制零件变形，越来越多的使用复合材料工装，表1列出几种主要用于模具制造的材料优缺点比较。

以往常规精度反射器一般采用铸铁材质，而此次反射器精度要求比以往同口径反射器精度要求高了几倍，因此从反射器结构和精度控制上考虑，既要保证工装刚性、气密、制造周期和成本，又综合考虑工装材料规格、可加工性、热膨胀系数、操作工艺性能等，该反射器工装材料选择了殷钢材质，模体采用分块焊接，中空结构，工装型面厚度保证在10 mm以上，整体框架结构，底部增加加强筋提高模胎刚性，避免工装型面变形。

为了保证反射面型面精度和预埋件位置精度，模体焊接进行时效处理，然后型面采用精确的数控加工，所有装配孔位采用数控制孔后进行镗孔，要求精度控制到±0.05 mm。反射器工裝型面加工后进行研磨处理，采用三坐标测量机进行检测，测点约3 000个，工装型面均方根误差精度最终测试结果为RMS=0.02 mm。

2 高精度反射器制造精度控制

2.1 成型工艺流程

针对反射器口径尺寸大、赋形曲率大、型面精度要求高的特点，结合以往经验，反射器成型采用二次胶接成型工艺：以成型工装为模体制造上蒙皮复材成型模，在复材成型模上成型反射面上蒙皮。在成型模具上成型反射面的下蒙皮。最后在成型工装上将上、下蒙皮与铝蜂窝芯组合胶接成反射器零件，大致流程见图3。

2.2 工艺控制措施

对于口径2 m的反射器模胎采用殷钢材质，实践经验不足，因此，为了控制反射器型面精度要求，根据以往经验在制造过程中采取了一些工艺措施以保证反射器型面精度，具体措施如下。

（1）为提高铺层角度准确，在工装余量区给出纤维铺层角度基准，辅助采用投影铺层系统，保证纤维铺层角度的准确性，减少应力变形。

（2）零件固化过程中，使用硅胶工艺压力垫，起到均匀传压的作用，确保零件蒙皮厚度均匀、表面光滑及与蜂窝芯组合的胶接强度。

（3）所有铺层预浸料使用数控下料机下料，宽度根据型面曲率选择，纤维角度偏差严格控制在±1°内，保证铺层角度一致性，提高铺层方向精度。

（4）反射器拱高较大，蜂窝芯与模胎贴合困难，采用分块拼接，减小蜂窝芯应力。

（5）为减小靠模面与靠袋面的温差，提高热均匀性，在固化过程中表面增加石棉布用于保温。

（6）根据以往经验对固化后的碳纤维复合材料高精度反射器采用高温和低温时效处理，有效消除残余应力。

通过以上工装方案的选择、工艺过程控制措施，该反射器与背筋装配后采用摄影照相法

测量型面精度RMS达到0.05 mm，完全满足设计指标要求。

3 结语

该文主要针对碳纤维复合材料高精度天线反射器的型面精度制造难点进行介绍，通过理论分析与经验相结合，确定了高精度反射器天线的工装方案；采取了具体有效的成型工艺过程控制措施；通过高低温时效处理提高型面精度；制造出合格的碳纤维复合材料高精度天线反射器，实现了由量变到质变的技术积累。通过该项目的研究摸索，总结出了一些有效的工艺精度控制方法，取得的各项成果，将更多地应用于航天卫星复合材料天线反射器的研制，对全面提高航天卫星复合材料天线反射器型面精度和技术能力升级起到巨大推动作用。