作为卫星遥感相机的重要组成部分，镜筒起着固定和支撑相机镜头的作用，其结构刚度及热尺寸稳定性直接影响着相机的成像质量及其工作稳定性，在传统的结构设计中，一般选用金属材料作为其主结构材料，近年来，随着复合材料技术的发展及在航天器上的成功应用，碳纤维环氧复合材料由于其高比强度、高比模量、热胀系数小等一系列优异性能而逐渐被航天光学遥感器结构设计者所选用，尤其是轻质、热尺寸稳定性好、性能可设计等特点，是传统的金属材料无可比拟的。随着对卫星成像精度要求的不断提高，其有效载荷的尺寸逐渐增大，采用碳纤维环氧复合材料结构、利用其优异性能，是满足航天光学遥感器轻量化设计、提高相机成像精度的有效途径。本文介绍了某型号碳纤维环氧复合材料相机镜筒（以下简称镜筒）的研制技术。

　　镜筒为三通状结构，筒内径为387mm，壁厚3mm，筒体外表面布有加强筋，前后开口为翻边式法兰结构，法兰外径为440mm，侧边有258mm×234mm的方形开口。三个开口分别用于与钛合金法兰胶接以安装镜头。针对产品结构特点，筒体采用手糊铺层、真空袋-热压罐法成型，加强筋采用手工铺层模压固化法成型，零件分体成型经检验合格后再组装胶接成一整体结构。

　　因复合材料相机镜筒的结构复杂，侧边有方形开口，筒体外用“T”形筋加强，因简体的外表面与加强筋胶接，其装配及尺寸精度要求高，而筒体内部尺寸没有特殊要求，因此工装模具采用阴模形式，并且阴模成型加压时压力向外扩展，有利于纤维伸展。但对于阴模成型的产品，由于产品固化出炉后模具收缩，脱模工序存在一定难度。对于脱模困难的问题，在筒身模具设计中，采用分瓣式设计，整个筒身模具由三大部分组装而成，每部分对应的弧度为120°，脱模时可以逐块进行，并且法兰及方口处的模具设计成一定的倾斜度。为保证产品的尺寸精度和外观质量，模具采用铸钢材料，故复材筒体的成型工装模具采用组合式铸钢阴模。

　　加强筋采用模压成型方法，成型模采用组合式闭合模具，并设计有流胶槽，以保证产品的致密性。碳纤维零件的外形尺寸及表面质量由模具的工作型腔尺寸及工作面粗糙度保证，故对模具的工作表面粗糙度和尺寸精度有较高要求。按成型工艺方案要求产品经受高温高压成型，模具材料除应具有良好的加工性能外，还应在产品固化条件下具备足够的强度、刚度、韧性及化学稳定性，以防止在承受载荷时发生模具变形、开裂、氧化等现象。综合考虑上述因素，碳纤维复合材料零件的成型选用45号钢作为模具材料，并经调质处理。

　　复合材料的一个最大特点就是可设计性，通过不同的铺层设计来满足不同的性能要求。为满足镜筒对热性能的特殊要求，作为主承力结构的复合材料筒体的铺层角度设计就起着决定性作用。根据理论计算结果，一般采用[0°/±45°/90°]s准各项同性铺层方式，考虑到筒体形状复杂，在内、外表面须铺高模量碳纤维平纹布以加强整体性能及避免因环向膨胀产生微裂纹，综合考虑产品性能及厚度要求，最终选定以[0/±45/90°]，镜面对称铺层为主体、并在表面层铺放碳布的铺层方式。

　　在筒身的成型中，其壁厚均匀性的控制是主要技术难点，若采取一次成型的办法，即连续铺层完毕后在热压罐中一次固化成型，则会由于压力及吸胶量不足，造成产品厚度偏厚，致密性不好，内部缺陷较多，影响产品使用性能。为保证产品厚度、降低孔隙率，在镜身铺层时，采用了分阶段多次预压实的方式来弥补压力不足、解决筒体壁偏厚的问题。在整个铺层过程中使用真空袋-热压罐法进行三次预压实，每次预压实时均采取吸胶措施，并适当升温以加强预压实的效果，使预浸料层与层之间、坯料与模具之间伏贴，最终达到保证产品厚度及厚度均匀性、确保制品的尺寸精度及内部质量的目的。

　　力学环境试验的顺利通过表明了镜筒的强度、刚度、尺寸精度及其稳定性可以满足设计使用要求，这说明产品的材料选择是正确的，成型工艺方案是合理可行的。

　　阅读延伸：《碳纤维空间相机遮光罩的成型工艺》