天线是航天器与地面、航天器之间信息传递的重要工具,随着空间技术的发展,各类通讯卫星上已经使用较高频率(60GHz~200GHz)的抛物面天线“。天线在设计中要最大程度上实现轻质量、高强度、高刚度,同时还要满足高型面精度,通过结构件的设计实现功能复用,可以提高载荷在球载总质量中的质量比,实现天线功能的最大化。可以说,结构功能一体化设计是天线系统的必然方向。
目前研制的天线反射板多为金属丝网的柔性受力系统,具有易折叠,收纳率高的优点,在金属网状天线反射板中,金属网的张力点、张力水平对天线反射板的保形能力、型面精度、展开的平稳性与可靠性均具有显著影响,便于组合各种可展开的结构,易于实现大口径。但是金属丝一般是由不锈钢、钼、钨这三种材料的超细丝加工而成的,同时对金属丝的要求比较高,比如金属丝网布应具有良好的多向弹性,纵向和横向延伸率应尽可能地接近,其拉伸断裂负载一般不小于1kg/cm,断裂伸长率不超过50%,网布应超薄、超轻,其编织结构应具有良好的可折叠性、抗皱性和抗松散性等。
本文研制的网状天线反射板,有碳纤维网格面板、蜂窝夹层结构背架组成,蜂窝夹层结构背架内设埋件接口,用铝基胶带对框架进行封边,并用常温胶粘剂进行胶接,缩短了成型周期,并且蜂窝夹层结构具有比强度大、比刚度高、热变形小和质量轻的优点。
网状天线反射板设计要求为:尺寸4897mm×1672.3mm,厚度45mm的曲面结构,设计要求型面精度RMS≤0.30mm,对于大尺寸天线反射板来说是一个挑战。另外,反射板内预埋件需要胶接在蜂窝夹层背架中,预埋件中心线与反射板抛物线误差<0.1°,天线反射板之间通过铰链与预埋件的组合实现折叠功能,因此预埋件的精度控制非常苛刻。
天线反射板中网格面板采用规格4mm×4mm的T800碳纤维复合材料,厚度0.2mm;面板与蜂窝使用常温胶粘结剂,采用均匀涂胶的工艺方法,抽真空固化,为保证孔位精度,蜂窝夹层结构中的埋件采取后埋的方式装配。
天线反射板的型而精度是产品的重要指标,为保证型面精度,在天线反射板生产过程中,进行工艺方法的优化,整个装配过程全部为无应力装配。天线反射板型面为曲面结构,为满足产品型面精度的要求,反射器型面精度很大程度上取决于模具的最终状态,模具型面按产品使用面曲面模型设计,采用通用平台+曲面型面+侧面定位块的凸模结构。
为保证天线反射板型面精度,网格面板与模具型面贴合至关重要。在胶接装配过程中,在模具型面涂刷1层胶液,然后将面板通真空袋压定型在模具型面上,抽真空进行预定型,保证网格面板与模具贴合。脱模后整体放在模具上3~5d,使型面稳定。将天线反射板在特制模具上吊挂测量,进一步释放重力对型面精度的影响,经过拟合得到型面精度RMS值为0.24,网格面板和蜂窝夹层结构背架无脱粘和鼓包。
本文对网状天线反射板进行结构上的优化,设计了一种大尺寸碳纤维网格天线反射板,实现了航天器产品质量轻、型面精度高,通过对工艺方法的优化,采用常温胶接固化成型,保证型面精度,采用后埋的定位装配方式,保证反射板的孔位精度,满足设计要求。
阅读延伸:《太阳翼碳纤维网格面板的低温热膨胀研究》