CN107994338B - 火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法 - Google Patents

火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法，通过罩体成型模具制造、石英/聚酰亚胺预浸料制备、罩体铺层、层间缝合、亚胺化、固化、脱模、机械加工、罩体外弧面喷涂防隔热漆、罩体内弧面脉冲喷射金属铝层和镀印天线系统等步骤实现。本发明的天线保护罩具有轻质、耐370℃高温、透波、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用罩体外弧面喷涂防隔热漆和内弧面脉冲喷射金属涂层的耦合技术，通过外表面防隔热漆隔热、中间罩体基材耐热、内表面金属涂层反射热量的多梯度防隔热的方式，解决了着陆巡视器坠入火星大气层时急剧升温造成内部天线不能正常工作的难题。

Description

火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料结构成型工艺方法领域，特别是火星探测着陆巡视器用多功能一体化天线保护罩系统制备方法。
背景技术
目前，以火星等为代表的深空探测飞行器为了保证远距离正常有效工作，可靠性高、抗干扰性能好的高性能空间天线系统势必成为深空探测飞行器的重点研制方向，天线保护罩系统作为整个深空探测器天线系统最外围的第一道屏障，是保护探测器内部天线系统正常稳定工作的关键部段，不仅要在探测器飞往目标的行程中耐受苛刻的空间环境保证信号的有效传输，还要在探测器到达目标后高速着陆时承受气动加热造成的高温(≥320℃)以及着陆过程动载荷的冲击。故该天线保护罩系统所具备和同时满足的功能越来越多，既满足透波的同时又要满足耐高温、隔热以及强度的要求，尤其需要耐受苛刻的空间环境：耐空间辐照、耐高低温循环、耐原子氧、耐空间质损、低放气率、低可凝挥发物等。此外，由于深空探测器各系统内部空间紧凑，元器件集成化程度高，因此，还需满足轻质、装配界面少的要求。
目前，空间飞行器常用的天线保护罩多为环氧/玻璃钢类、氰酸脂/玻璃钢类和无机陶瓷类材料。轻质高强的环氧/玻璃钢类和氰酸脂/玻璃钢类天线保护罩使用温度不高于200℃，故受其使用温度制约存在很大的应用局限性。此外，环氧/玻璃钢类和氰酸脂/玻璃钢类复合材料耐空间环境有其各自的不足，特别是耐受空间高低温循环性能较差，其构件尺寸稳定性差。无机陶瓷类天线罩可以满足耐温要求，但重量大、易脆裂、成型周期长、机加性能差等缺点制约其应用。石英/聚酰亚胺天线保护罩具有优异的耐热性和力学性能，比强度高，介电性能好，具有宽温宽频的特性，透波性能及耐空间环境性能优异，但石英/聚酰亚胺这种深空探测器用多功能一体化天线保护罩在国内未见报道。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法，制备的天线保护罩具有轻质、耐370℃高温、透波、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性，解决了着陆巡视器坠入火星大气层时急剧升温造成内部天线不能正常工作、弧面薄壁壳体类复合材料构件开口变形的难题，减少了内部天线系统装配连接界面，既避免了不同材料间的线胀热匹配问题，又节省了内部空间。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩，包括罩体、防隔热漆、金属铝层、天线；罩体为弧形板结构，外弧面喷涂防隔热漆，在内弧面中间指定区域内设置金属铝层，天线设置在金属铝层上。
所述防隔热漆的材料为空心微球硅橡胶材料，密度范围为0.20～0.35g/cm3，介电常数在3.0～3.3范围内，损耗角正切≤0.008。
所述金属铝层采用脉冲喷射工艺涂镀，铝层厚度范围为0.1～0.3mm。
所述罩体边缘分布有安装孔。
一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、根据罩体的形状，制造罩体成型模具，并对罩体成型模具经过高温氧化处理，使得罩体成型模具的成形面的表面粗糙度保持在3.0～3.3范围内；所述罩体成型模具包括主体阳模、弧形阴模和侧向挡边模，主体阳模的弧线成形面与弧形阴模的弧形成形面分别与罩体的外弧面、内弧面对应，侧向挡边模连接主体阳模四周边缘，弧形阴模能够上下移动；
步骤二、制备石英/聚酰亚胺预浸料，石英/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的石英增强纤维织物；具体制备方法为：将聚酰亚胺树脂胶液和石英增强纤维织物按照(1.5～2.8):1的质量配比进行混合浸渍，浸渍完全后室温晾置18～30h后，覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜；
步骤三、在主体阳模表面进行石英/聚酰亚胺预浸料铺层，铺层时保证每层的预浸料纤维方向一致，得到罩体预制体；
步骤四、对罩体的预制体进行层间缝合；将侧向挡边模安装在主体阳模周围，用弧形阴模压紧主体阳模；
步骤五、清除罩体预制体内多余的聚酰亚胺树脂胶液；
步骤六、对罩体预制体进行固化；
步骤七、依次拆除弧形阴模、侧向挡边模和主体阳模，得到罩体毛坯件；
步骤八、采用数控机床对罩体毛坯件的外形尺寸进行加工，并在罩体(1)边缘加工安装孔；
步骤九、在罩体外弧面喷涂防隔热漆，控制防隔热漆的厚度为2～2.5mm，喷涂防隔热漆后对罩体进行室温固化，室温固化时间为12～16天，环境相对湿度保持在80～90％；
步骤十、在真空无氧状态下，将真空度控制在100～110Pa范围内，在罩体内弧面中部指定区域内脉冲喷射金属铝层；
步骤十一、在金属铝层镀印上天线，在金属铝层上镀印天线时，将镀印天线的电阻值控制在2～10Ω。
所述步骤二中，石英增强纤维织物为SiO2纯度为98.00％～99.95％的D型、C型、B型或A型石英织物，纤维面密度为80～230g/m2，经纬密为16×16或20×20。
所述步骤四中，对罩体的预制体进行层间缝合时，所使用缝合线材为石英纤维单丝，采用“Z”字型走针线路进行缝合，缝合过程中所用的石英纤维单丝为一根连续的石英纤维单丝，不允许断开和拼接。
所述步骤五中，清除多余的聚酰亚胺树脂胶液的工艺为：升温速率为30～50℃/h，预压实温度为60-110℃，保温时间为10min～30min，压力为0.2～0.6MPa，含胶量控制在45％～65％，真空表压≤-0.098MPa。
所述步骤六中，固化工艺为：升温速率为20～50℃/h，加压温度为210～250℃，固化温度为330～380℃，保温时间为1～4h，压力为0.8～1.1MPa，真空表压≤-0.097MPa。
所述步骤七中，拆除弧形阴模、侧向挡边模和主体阳模时，环境温度控制在30～50℃范围内。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用罩体整体铺层、层间缝合增强的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该复合材料保护罩具有轻质、耐370℃高温、透波、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；
(2)本发明采用罩体外弧面喷涂防隔热漆和内弧面脉冲喷射金属涂层的耦合技术，通过外表面防隔热漆隔热、中间罩体基材耐热、内表面金属涂层反射热量的多梯度防隔热的方式，解决了着陆巡视器坠入火星大气层时急剧升温造成内部天线不能正常工作的难题；
(3)本发明采用成型模具形状补偿的方式，解决了弧面薄壁壳体类复合材料构件开口变形的难题，保证了产品外形尺寸；
(4)本发明采用天线系统直接镀印集成在保护罩的连接方式，减少了内部天线系统装配连接界面，既避免了不同材料间的线胀热匹配问题，又节省了内部空间。
(5)本发明采用数字化激光投影定位制孔再行机械加工罩体外形尺寸的方式解决孔边距小导致的豁口难题，又保证了整个罩体的装配精度。
附图说明
图1为本发明天线保护罩剖视图；
图2为本发明天线保护罩俯视图；
图3为本发明罩体成型模具的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩及其制备方法，通过罩体成型模具制造、石英/聚酰亚胺预浸料制备、罩体铺层、层间缝合、亚胺化、固化、脱模、机械加工、罩体外弧面喷涂防隔热漆、罩体内弧面脉冲喷射金属铝层和镀印天线系统等步骤实现。
本发明采用罩体整体铺层、层间缝合增强的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该罩体具有轻质、耐370℃高温、透波、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用罩体外弧面喷涂防隔热漆和内弧面脉冲喷射金属涂层的耦合技术，通过外表面防隔热漆隔热、中间罩体基材耐热、内表面金属涂层反射热量的多梯度防隔热的方式，解决了着陆巡视器坠入火星大气层时急剧升温造成内部天线不能正常工作的难题；采用成型模具形状设计补偿的方式，解决了弧面薄壁壳体类复合材料构件开口变形的难题，保证了产品外形尺寸；此外，采用天线系统直接镀印集成在保护罩的连接方式，减少了内部天线系统装配连接界面，既避免了不同材料间的线胀热匹配问题，又节省了内部空间。
如图1所示，为天线保护罩系统剖面图，图2所示为天线保护罩系统俯视图。由图可知，一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩，包括：罩体1、防隔热漆2、金属铝层3、天线4。其中，罩体1外弧面喷涂防隔热漆2，内弧面中间指定区域脉冲喷射金属铝层3，内弧面上除金属铝层3区域外的剩余预留区域为透波工作区5，天线4直接镀印在金属铝层3上，最后沿罩体1边缘机械配打安装孔6。罩体1的材料为复合材料。
火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制造罩体成型模具；
如图3所示，罩体成型模具采用铸钢制造，包括主体阳模7、弧形阴模8和侧向挡边模9，用于罩体1的固化，主体阳模7与弧形阴模8上下形面贴合，侧向挡边模9连接在主体阳模7四周边缘，通过可上下自由活动的弧形阴模8实现加压传递载荷，罩体成型模具的弧形阴模8与主体阳模7和侧向挡边模9之间无螺钉和定位销，并且预留弧形阴模8与侧向挡边模9之间的模块间隙为1～2mm，罩体成型模具的线膨胀系数按照4×10-6～10×10-6计算，整个罩体成型模具应进行气密性检漏和高温氧化处理，成型模具工作表面粗糙度保持在3.0～3.3，综合考虑温度变化区间(室温～400℃)、产品尺寸和罩体固化后变形量，进行模具尺寸精度的补偿设计；
步骤二、制备石英/聚酰亚胺预浸料；
石英/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的石英增强纤维织物；石英增强纤维织物可以为SiO2纯度为98.00％～99.95％的D型、C型、B型或A型石英织物，纤维面密度为80～230g/m2，经纬密为16×16或20×20；预浸料的聚酰亚胺树脂胶液和石英增强纤维织物的质量配比为(1.5～2.8):1；浸渍完全后室温晾置18～30h后覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜。
步骤三、采用石英/聚酰亚胺预浸料在罩体成型模具上进行铺层，得到罩体1的预制体；
以主体阳模7、弧形阴模8、侧向挡边模9为铺层模具，在主体阳模7表面进行罩体1预浸料铺层，共铺18层；铺层时保证每层的预浸料纤维方向一致，得到罩体1预制体。
步骤四、对罩体1的预制体进行层间缝合；
对罩体1的预制体进行层间缝合时，所使用缝合线材为石英纤维单丝，采用“Z”字型走针线路进行缝合，全过程所用的石英纤维单丝为一根连续，不允许断开和拼接。
步骤五、亚胺化；
清除罩体1预制体多余的聚酰亚胺树脂胶液，清除胶液工艺为：升温速率30-50℃/h，预压实温度为60-110℃，保温10min-30min，压力0.2-0.6MPa，含胶量控制在45％-65％，真空表压≤-0.098MPa；
步骤六、对罩体1预制体进行固化；
固化工艺为升温速率20-50℃/h，加压温度为210-250℃，固化温度为330-380℃，保温1-4h，压力0.8-1.1MPa，真空表压≤-0.097MPa。
步骤七、脱模；
依次拆除弧形阴模，侧向挡边模和主体阳模，得到罩体1毛坯件，脱模时模具温度应在30-50℃环境下；
步骤八、机械加工；
采用数控机床对罩体1毛坯件外形尺寸及安装孔6进行机械加工，机械加工选用金刚石刀具，刀具转速控制在1200-2800r/min，走刀速度为70-310mm/min，进刀量为0.4-1mm，不得使用任何形式的冷却液，比如水，油和有机溶剂等；机械加工外形尺寸时，首先采用数字化激光投影定位制孔，再行机械加工罩体外形尺寸的方式解决孔边距小导致的豁口难题，又保证了整个罩体的装配精度；
步骤九、罩体1外弧面喷涂防隔热漆2；
在罩体1外弧面均匀的喷涂防隔热漆2，其厚度为2～2.5mm，防隔热漆2室温固化时间为12～16天，环境相对湿度保持在80～90％。
步骤十、罩体1内弧面脉冲喷射金属铝层3；
在罩体1内弧面中间指定区域脉冲喷射金属铝层3时，应保持在真空无氧状态，真空度控制在100～110Pa。
步骤十一、在金属铝层3镀印天线4；
在金属铝层3上镀印天线4时，镀印天线4的电阻值控制在2～10Ω。
通过罩体成型模具制造、石英/聚酰亚胺预浸料制备、罩体铺层、层间缝合、亚胺化、固化、脱模、机械加工、罩体外弧面喷涂防隔热漆、罩体内弧面脉冲喷射金属铝层和镀印天线系统等步骤实现。本发明采用罩体整体铺层、层间缝合增强的方式，利用热压罐成型工艺一次整体成型，制备的该罩体具有轻质、耐370℃高温、透波、耐空间环境、结构承载多功能一体化的特性；同时，采用罩体外弧面喷涂防隔热漆和内弧面脉冲喷射金属涂层的耦合技术，通过外表面防隔热漆隔热、中间罩体基材耐热、内表面金属涂层反射热量的多梯度防隔热的方式，解决了着陆巡视器坠入火星大气层时急剧升温造成内部天线不能正常工作的难题；采用成型模具形状设计补偿的方式，解决了弧面薄壁壳体类复合材料构件开口变形的难题，保证了产品外形尺寸；此外，采用天线系统直接镀印集成在保护罩的连接方式，减少了内部天线系统装配连接界面，既避免了不同材料间的线胀热匹配问题，又节省了内部空间。
实施例1：
火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、罩体成型模具制造；
罩体成型模具采用铸钢制造，包括主体阳模7、弧形阴模8和侧向挡边模9，用于罩体1的固化，主体阳模7与弧形阴模8上下形面贴合，侧向挡边模9连接在主体阳模7四周边缘，通过可上下自由活动的弧形阴模8实现加压传递载荷，罩体成型模具的弧形阴模8与主体阳模7和侧向挡边模9之间无螺钉和定位销，并且预留模块间隙为1.5mm，模具的线膨胀系数按照6×10-6计算，整个模具应进行气密性检漏和高温氧化处理，罩体成型模具工作表面粗糙度保持在3.0，综合考虑温度变化区间(室温～400℃)、产品尺寸和罩体固化后变形量，进行模具尺寸精度的补偿设计；
步骤二、石英/聚酰亚胺预浸料制备；
石英/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的石英增强纤维织物；石英增强纤维织物为SiO2纯度为99.90％的B型石英织物，纤维面密度为230g/m2，经纬密为16×16；预浸料的聚酰亚胺树脂胶液和石英增强纤维织物的质量配比为1.5:1；浸渍完全后室温晾置30h后覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜。
步骤三、采用石英/聚酰亚胺预浸料在罩体成型模具上进行铺层，得到罩体1的预制体；
以主体阳模、弧形阴模、侧向挡边模为铺层模具，在主体阳模表面进行罩体1预浸料铺层，共铺18层；铺层时保证每层的预浸料纤维方向一致，得到罩体1预制体。
步骤四、对罩体1的预制体进行层间缝合；
对罩体1的预制体进行层间缝合时，所使用缝合线材为石英纤维单丝，采用“Z”字型走针线路进行缝合，全过程所用的石英纤维单丝为一根连续，不允许断开和拼接。
步骤五、亚胺化；
清除罩体1预制体多余的聚酰亚胺树脂胶液，清除胶液工艺为：升温速率50℃/h，预压实温度为60℃，保温30min，压力0.2MPa，含胶量控制在45％，真空表压≤-0.098MPa；
步骤六、对罩体1预制体进行固化；
固化工艺为升温速率20℃/h，加压温度为210℃，固化温度为380℃，保温3.5h，压力0.85MPa，真空表压≤-0.097MPa。
步骤七、脱模；
依次拆除弧形阴模，侧向挡边模和主体阳模，得到罩体1毛坯件，脱模时模具温度应在30℃环境下；
步骤八、机械加工；
采用数控机床对罩体1毛坯件外形尺寸及安装孔6进行机械加工，机械加工选用金刚石刀具，刀具转速控制在1250r/min，走刀速度为78mm/min，进刀量为0.44mm，不得使用任何形式的冷却液，比如水，油和有机溶剂等；机械加工外形尺寸时，首先采用数字化激光投影定位制孔，再行机械加工罩体外形尺寸的方式解决孔边距小导致的豁口难题，又保证了整个罩体的装配精度；
步骤九、罩体1外弧面喷涂防隔热漆2；
在罩体1外弧面均匀的喷涂防隔热漆2，其厚度为2.5mm，防隔热漆2室温固化时间为16天，环境相对湿度保持在80％。
步骤十、罩体1内弧面脉冲喷射金属铝层3；
在罩体1内弧面中间指定区域脉冲喷射金属铝层3时，应保持在真空无氧状态，真空度控制在106Pa。
步骤十一、在金属铝层3镀印天线4；
在金属铝层3上镀印天线4时，镀印天线4的电阻值控制在2Ω。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩，其特征在于，包括罩体(1)、防隔热漆(2)、金属铝层(3)、天线(4)；罩体(1)为弧形板结构，外弧面喷涂防隔热漆(2)，在内弧面中间指定区域内设置金属铝层(3)，内弧面上除金属铝层(3)区域外的剩余预留区域为透波工作区(5)，防隔热漆(2)、罩体(1)和金属铝层(3)构成由外到内的多梯度耦合防隔热结构，天线(4)镀印在金属铝层(3)表面上；所述罩体(1)边缘分布有安装孔(6)，天线(4)与保护罩集成一体。
2.根据权利要求1所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩，其特征在于：所述防隔热漆(2)的材料为空心微球硅橡胶材料，密度范围为0.20～0.35g/cm3，介电常数在3.0～3.3范围内，损耗角正切≤0.008。
3.根据权利要求2所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩，其特征在于：所述金属铝层(3)采用脉冲喷射工艺涂镀，铝层厚度范围为0.1～0.3mm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据罩体(1)的形状，制造罩体成型模具，并对罩体成型模具经过高温氧化处理，使得罩体成型模具的成形面的表面粗糙度保持在3.0～3.3范围内；所述罩体成型模具包括主体阳模(7)、弧形阴模(8)和侧向挡边模(9)，主体阳模(7)的弧线成形面与弧形阴模(8)的弧形成形面分别与罩体(1)的外弧面、内弧面对应，侧向挡边模(9)连接主体阳模(7)四周边缘，弧形阴模(8)能够上下移动；
步骤二、制备石英/聚酰亚胺预浸料，石英/聚酰亚胺预浸料为聚酰亚胺树脂胶液浸渍后的石英增强纤维织物；具体制备方法为：将聚酰亚胺树脂胶液和石英增强纤维织物按照(1.5～2.8):1的质量配比进行混合浸渍，浸渍完全后室温晾置18～30h后，覆盖带有导气通道的尼龙网格薄膜；
步骤三、在主体阳模(7)表面进行石英/聚酰亚胺预浸料铺层，铺层时保证每层的预浸料纤维方向一致，得到罩体(1)预制体；
步骤四、对罩体(1)的预制体进行层间缝合；将侧向挡边模(9)安装在主体阳模(7)周围，用弧形阴模(8)压紧主体阳模(7)；
步骤五、清除罩体(1)预制体内多余的聚酰亚胺树脂胶液；
步骤六、对罩体(1)预制体进行固化；
步骤七、依次拆除弧形阴模(8)、侧向挡边模(9)和主体阳模(7)，得到罩体(1)毛坯件；
步骤八、采用数控机床对罩体(1)毛坯件的外形尺寸进行加工，并在罩体(1)边缘加工安装孔(6)；
步骤九、在罩体(1)外弧面喷涂防隔热漆(2)，控制防隔热漆(2)的厚度为2～2.5mm，喷涂防隔热漆(2)后对罩体(1)进行室温固化，室温固化时间为12～16天，环境相对湿度保持在80～90％；
步骤十、在真空无氧状态下，将真空度控制在100～110Pa范围内，在罩体(1)内弧面中部指定区域内脉冲喷射金属铝层(3)；内弧面上除金属铝层(3)区域外的剩余预留区域为透波工作区(5)；
步骤十一、在金属铝层(3)镀印上天线(4)，在金属铝层(3)上镀印天线(4)时，将镀印天线(4)的电阻值控制在2～10Ω。
5.根据权利要求4所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩制备方法，其特征在于：所述步骤二中，石英增强纤维织物为SiO2纯度为98.00％～99.95％的D型、C型、B型或A型石英织物，纤维面密度为80～230g/m2，经纬密为16×16或20×20。
6.根据权利要求4或5所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩制备方法，其特征在于：所述步骤四中，对罩体(1)的预制体进行层间缝合时，所使用缝合线材为石英纤维单丝，采用“Z”字型走针线路进行缝合，缝合过程中所用的石英纤维单丝为一根连续的石英纤维单丝，不允许断开和拼接。
7.根据权利要求6所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩制备方法，其特征在于：所述步骤五中，清除多余的聚酰亚胺树脂胶液的工艺为：升温速率为30～50℃/h，预压实温度为60-110℃，保温时间为10min～30min，压力为0.2～0.6MPa，含胶量控制在45％～65％，真空表压≤-0.098MPa。
8.根据权利要求7所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩制备方法，其特征在于：所述步骤六中，固化工艺为：升温速率为20～50℃/h，加压温度为210～250℃，固化温度为330～380℃，保温时间为1～4h，压力为0.8～1.1MPa，真空表压≤-0.097MPa。
9.根据权利要求4所述的一种火星探测着陆巡视器用一体化天线保护罩制备方法，其特征在于：所述步骤七中，拆除弧形阴模(8)、侧向挡边模(9)和主体阳模(7)时，环境温度控制在30～50℃范围内。
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