CN108511920A - 蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法，所述反射器包括反射面和背筋，所述背筋设置在反射面的一侧；所述反射面由单层蒙皮组成，所述背筋呈曲面多格栅框架结构。所述反射器的制备方法包括：S1、分别制作蒙皮和背筋；S2、将蒙皮和背筋进行胶接装配、固化；S3、待固化完成后，脱模，即得。本发明中蒙皮与背筋的刚度和热膨胀系数均相匹配；背筋可与外接接口和接头一体化设计与成型；制备的天线反射器重量轻、刚度好、型面精度高、热稳定性好。2.5m口径的天线反射器，型面精度均方根(RMS)可达15um；环境温度从20℃升至120℃或降至‑180℃，反射面型面热变形RMS值可仅为5um或12um。

Description

蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法

技术领域

本发明涉及天线反射器技术领域，具体地，涉及一种蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法，尤其是涉及一种轻质高热稳定性蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法。

背景技术

随着人类对宇宙探索的不断深入，高灵敏度和高分辨率的航天器成为不可缺少的工具，高精度的星载天线应运而生，且需求迫切。当前，天线逐渐向大口径、高频段、高增益、能量高密度方向发展。当天线口径增大，工作频率提高时，对反射面精度的要求也越来越高，且天线的电磁与机械结构因素的相互影响、相互制约关系变得越来越突出。在影响天线电性能指标的诸多机械结构因素中，反射器的形面精度因其存在的普遍性、分布的随机性及对电性能影响机理的复杂性而备受瞩目。天线反射器的型面精度直接影响天线的增益，当前，空间通讯和探测无线电频率已达太赫兹频段，其型面精度RMS值已达到微米甚至是纳米量级。卫星在轨运行时，反射器直接裸露在太空环境中，其表面温度变化范围可达-180℃～+120℃。反射器周期性的经历大幅度高低温变化，从而产生热膨胀和热应力，导致屈曲和变形，严重影响天线的精度。

碳纤维复合材料因比刚度高、热稳定性好、可设计性强等特点，在星载天线反射器上应用较广。目前，航天领域使用的碳纤维复合材料天线反射器主要有铝蜂窝夹层结构，格栅结构和碳蜂窝夹层结构。其中碳纤维铝蜂窝夹层结构的固面反射器因设计难度低、工艺成熟度高、制造加工方便而应用较多，但由于芯体材料铝蜂窝自身刚度过低、热膨胀系数过高等原因，该类反射器热变形大，热稳定性差，主要为亚毫米级，无法适应高精度高稳定微米级反射器的需求。碳纤维格栅结构反射器的特点是结构稳定性高、刚性好、热膨胀系数低，具有高的热稳定性，但由于夹层部分为曲面格栅结构，格栅密度大重量重，其成型难度和设计难度相对较高，难保证结构的对称性，成型精度较低；碳蜂窝夹层结构要实现与铝蜂窝夹层结构等密度的性能，所需的碳蜂窝成型难度大，国内技术积累不足，制造成本高，无法实现规模化的工程应用。

申请号为201610546603.0的发明专利申请中公开了一种天线反射器及其制作方法，该发明公开的反射器由反射部、底座和加强筋三部分组成。其中，反射部是由蒙皮和夹心材料通过胶膜粘接后固化所得，底座也是如此，所述加强筋只起到局部加强作用。因此，该专利中制作的天线反射器反射面主体仍为蜂窝夹层结构，存在成型工序多，结构的热稳定性差，重量大等不足。

申请号为201510920136.9的的发明专利申请中公开了一种复合材料反射器的成型方法，该专利公布的成型方法是反射器本体和加强筋的是一体化成型的，所用技术为共固化成型，但该方法容易产生共固化成型时的热变形和应力释放变形。

在科技论文《复合材料薄壁加筋抛物面天线仿真与优化》中公开了一种薄壁加筋抛物面天线模型，该论文通过有限元分析，确定了基频最佳的复合材料抛物面天线结构，只是从仿真计算单一的考虑筋的因素，筋为一固定高度，且对筋的分析仅限于加减环向和径向筋、分析筋的铺层改变对基频的影响。但其目的是为获得高刚性的结构，忽视了筋的功能性作用，且仅限于仿真分析，并未能实验验证正确性和实现工程化应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明综合考虑蒙皮和背筋，合理化设计蒙皮的厚度、筋的形式、筋的分布、蒙皮和筋的铺层等，获得的结构中蒙皮和背筋的刚度、热膨胀系数均相匹配，背筋自身是一体化设计，且可考虑工程应用，与外部连接的接口和接头也与背筋一体化设计，并一体化成型。本发明的目的是提供一种蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法。所述的反射器侧重于获得轻质、高精度和高热稳定性的结构，且能保证天线反射器的适用性。

本发明蒙皮加筋结构的天线反射器，是全碳纤维高性能复合材料反射器，只需要反射面蒙皮，不再需要传统结构的内外蒙皮双蒙皮，不再需要夹心材料，背筋的存在不再只是起加强作用。背筋的设计也比较灵活可控，蒙皮和背筋可设计为刚度、热膨胀系数均相匹配的结构，且因与外部连接的接口和接头可同背筋一体化设计，并一体化成型，简化了工艺流程和零部件数量，减少了对反射器精度影响的因素，从而实现轻质高精度高热稳定性天线反射器的制备。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种蒙皮加筋结构天线反射器，包括反射面和背筋，所述背筋设置在反射面的一侧；所述反射面由单层蒙皮组成，所述背筋呈曲面多格栅框架结构。

优选地，所述背筋上设置有第一结点、第二结点、径向筋、环向筋和辅助筋；

所述第一结点位于背筋的中心，所述第二结点均匀分布在第一结点的外周；

所述径向筋由第一结点向外发散至与背筋的外缘轮廓连接或与环向筋连接；所述径向筋包括主筋，所述主筋连接第一结点和第二结点；

多个所述环向筋同轴设置并与背筋的外缘轮廓平行；

所述辅助筋连接背筋的外缘轮廓与环向筋。

优选地，所述背筋主要由多个第一扇形框和多个第二扇形框通过主筋连接组成，所述第一扇形框和第二扇形框相邻设置，多个所述第一扇形框或多个所述第二扇形框之间间隔设置；

所述第一扇形框和第二扇形框均设置有多个弧段，相邻且位于背筋同一层的第一扇形框的弧段和第二扇形框的弧段连接构成所述环向筋；

所述第一扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向第一结点，所述第二扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向反射器的内侧。

优选地，在第一扇形框中，所述径向筋由第一结点向外发散至与背筋的外缘轮廓连接；所述辅助筋连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓，或者连接最里层的弧段与背筋的外缘轮廓；

在第二扇形框中，所述径向筋由第一结点向外发散至与环向筋连接；所述辅助筋连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓；

在第一扇形框或第二扇形框中，相邻的所述连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓的辅助筋之间首尾连接。

关于筋的分布，径向筋可显著提升结构刚度，环向筋根据反射器的轮廓走向分布；径向筋和环向筋视为主体结构，它们的布局可显著提高结构的刚度，并减小热变形。其余筋为辅助筋，辅助筋多分布在边缘，辅助筋的布局可有效改善边缘局部刚度弱的情况。筋的分布，要考虑由于筋的存在而引起质量增加导致结构基频降低和由于筋的存在增加结构刚度可使结构基频提升这二者之间的平衡，以大大提升结构效率。若径向筋的密度太大和/或辅助筋的分布太多，均会影响结构的热变形性能。

优选地，所述蒙皮的厚度为0.1～20mm；所述背筋的高度为0.1～300mm，所述背筋的厚度为0.1～10mm。

关于蒙皮与背筋的尺寸，当筋的几何尺寸固定时，随着蒙皮厚度的增加，结构的刚度先升高后降低，原因是蒙皮厚度增加到一定值之后，筋的刚度过弱，二者刚度不匹配；结构的热变形，一是随蒙皮厚度的增加，刚度好，热变形会小；二是蒙皮增厚之后，热传导较慢，蒙皮温差较大，热应力梯度大，热变形增大。不同筋的结合尺寸对应着不同厚度的蒙皮。因此，对于蒙皮与背筋的尺寸选择，继续增加尺寸，会引起下述问题：一是结构重量增加很明显；二是温度和热应力梯度增加，热变形增大；三是背筋高度过高，结构易发生失稳。

优选地，所述背筋为等高度结构或变高度结构；所述背筋的每一条筋都与所接触的蒙皮表面垂直。其中，所述背筋可为一体成型结构或由每条筋单独成型，优选地，所述背筋为一体成型结构，一体化成形会更方便；所述背筋上可开设减重孔或不开，优选地，所述背筋上设置有减重孔。

优选地，所述背筋和蒙皮的材料均采用碳纤维/改性树脂预浸料。

优选地，所述碳纤维/改性树脂预浸料包括M46碳纤维/改性树脂预浸料、M50碳纤维/改性树脂预浸料、M55碳纤维/改性树脂预浸料、M60碳纤维/改性树脂预浸料、T700碳纤维/改性树脂预浸料、T800碳纤维/改性树脂预浸料中的一种；所述改性树脂包括环氧类树脂、氰酸酯类树脂中的一种。

优选地，背筋上设置的每条筋的横截面形状包括工字型、T型、L形、帽型、几字型、W型中的一种。

关于筋的截面形状，工字型、T型、L形、帽型、几字型、W型等形式均可获得轻质高热稳定性蒙皮加筋结构天线反射器。考虑到成型的难度和结构效率，工字型和帽型最好。

优选地，所述反射器的口径为2.5m。

本发明还提供一种蒙皮加筋结构天线反射器的制备方法，包括如下步骤：

S1、分别制备蒙皮和背筋；

S2、将所述蒙皮和背筋采用胶粘剂进行胶接装配并进行固化；

S3、待固化完成后，脱去所述胶接装配采用的胶接装配模，即得。

优选地，步骤S1中，所述蒙皮的制备方法包括：将碳纤维/改性树脂预浸料进行铺层后，经加热加压固化成型。

更优选地，在蒙皮的制备方法中，所述铺层的步骤包括：将单向碳纤维或平纹碳布的碳纤维/改性树脂预浸料，在刚模上采取准各向同性铺层或±45°对称铺层或由准各向同性铺层与±45°对称铺层形成的对称铺层的铺层方式；所述固化成型采用热压罐固化成型工艺。

优选地，步骤S1中，所述背筋的制备方法包括：将碳纤维/改性树脂预浸料进行铺层后，经加热加压固化成型。

更优选地，在背筋的制备方法中，所述铺层的步骤包括：将单向碳纤维或平纹碳布的碳纤维/改性树脂预浸料，结合刚模和软模(先将刚模和软膜分别铺层，然后将刚模和软膜组合并定位，铺剩余铺层)，采取准各向同性铺层或±45°对称铺层或由准各向同性铺层与±45°对称铺层形成的对称铺层的铺层方式；所述固化成型采用热压罐成型工艺或真空辅助袋压技术。

关于蒙皮和筋的铺层，采用准各向同性铺层或±45°对称铺层或由准各向同性铺层与±45°对称铺层形成的对称铺层的铺层方式，可获得低膨胀的结构，并保证结构固化成型时不发生翘曲。如采用其他铺层方式，则会使得不同方向的热膨系数不同，无法获得刚度、热膨胀系数相匹配的结构。

优选地，步骤S2中，所述胶粘剂为常温固化胶粘剂，包括J133、Aradile420中的一种；所述胶接的间隙为0.05-1mm。

本发明通过使用高性能碳纤维复合材料，采用单蒙皮加背筋的结构形式，并通过合理化设计和合适的成型工艺整体成型背筋，解决了蒙皮与蜂窝热膨胀系数和刚度不匹配导致反射器在冷热交变环境中的热变形大，热稳定性差的问题，同时解决了夹层结构反射器、格栅结构反射器成型工艺复杂，工序较多，导致对成型精度影响因素多，铺层容错能力差，成型精度控制难的问题，也减轻了反射器的重量，降低了因自身重量引起型面变形的问题。

在保持电信号有效接收和发射、与夹层结构刚度相近的前提下，制备的蒙皮加筋结构形式天线反射器具有高的热稳定性；成型工序减少，铺层容错能力高，成型精度高；且大幅简化了天线反射器整体的零件个数，降低了结构的重量，降低了反射器自重引起的变形。

本发明所述的反射器只是反射部和背筋两部分组成。其中，反射部就是蒙皮，无需夹心材料，背筋也是整体成型的一体化结构。与申请号为201610546603.0公布的结构构型不同，成型制备方法也相异。同时，本发明反射器蒙皮和背筋分别单独成型，蒙皮和背筋之间是常温固化胶后胶接的，这样避免了共固化成型时的热变形和应力释放变形。

本发明采用高性能的复合材料，通过相互协调优化设计蒙皮的厚度、筋的形式、筋的分布，蒙皮和筋的铺层等，利用合适的成型工艺制造，在保持电信号有效接收和发射、与同种口径的蜂窝夹层结构反射器刚度相近的前提下，制备出轻质高精度高热稳定性的天线反射器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

①蒙皮和背筋的刚度和热膨胀系数匹配，所得结构为高刚性低热膨胀结构。

②所得结构，背筋的铺层角容错能力高，铺层角的铺层角度差可在[-5°,5°]区间内变化。

③成型工艺合适，保证背筋一体化成型，减少了成型工序，获得高精度的反射器，2.5m口径的反射器，其型面精度均方根(RMS)达到15um。

④本发明制造方法便捷，制备的蒙皮加筋结构反射器热稳定性好，能够在-180℃～120℃温度范围内使用。温度从20℃升到120℃，型面精度均方根(RMS)变化值为5～40um，温度从20℃降到-180℃，型面精度均方根(RMS)变化值为12～138um。

⑤反射器的质量轻，较等刚度的夹层结构反射器重量下降可达22％。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明蒙皮加筋结构天线反射器的结构示意图；

图2为本发明中背筋的结构示意图；

图3为本发明中工字型背筋的铺层顺序示意图；

图中，1为反射面；2为背筋；3为接口；4为第一结点；5为第二结点；6为径向筋；7为环向筋；8为辅助筋。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种蒙皮加筋结构天线反射器，如图1至图2所示，包括反射面1和背筋2，所述背筋2设置在反射面1的一侧；所述反射面1由单层蒙皮组成，所述背筋2呈曲面多格栅框架结构。所述反射面1设置在背筋2的内侧。

如图2所示，所述背筋2上设置有第一结点4、第二结点5、径向筋6、环向筋7和辅助筋8；所述第一结点4位于背筋的中心，所述第二结点5均匀分布在第一结点4的外周；所述径向筋6由第一结点4向外发散至与背筋的外缘轮廓连接或与环向筋7连接；所述径向筋6包括主筋，所述主筋连接第一结点4和第二结点5；多个所述环向筋7同轴设置并与背筋的外缘轮廓平行；所述辅助筋8连接背筋的外缘轮廓与环向筋7。

进一步地，所述背筋2主要由多个第一扇形框和多个第二扇形框通过主筋连接组成，所述第一扇形框和第二扇形框相邻设置，多个所述第一扇形框或多个所述第二扇形框之间间隔设置；所述第一扇形框和第二扇形框均设置有多个弧段，相邻且位于背筋同一层的第一扇形框的弧段和第二扇形框的弧段连接构成所述环向筋7；所述第一扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向第一结点4，所述第二扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向反射器的内侧。

进一步地，在第一扇形框中，所述径向筋6由第一结点4向外发散至与背筋的外缘轮廓连接；所述辅助筋8连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓，或者连接最里层的弧段与背筋的外缘轮廓；在第二扇形框中，所述径向筋6由第一结点4向外发散至与环向筋7连接；所述辅助筋8连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓；在第一扇形框或第二扇形框中，相邻的所述连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓的辅助筋8之间首尾连接。

进一步地，所述蒙皮的厚度为0.1～20mm；所述背筋2的高度为0.1～300mm，所述背筋2的厚度为0.1～10mm。

所述背筋2可为等高度结构或变高度结构。所述背筋2为一体成型结构。

如图1所示，在所述背筋2上设有接口3(或称接头)，所述接口3用于使反射器与其他待连接物体连接，所述接口3位于所述第一结点4或第二结点5处；同时，设计时可以考虑根据接口3(或接头)的设计调整筋的分布，并进行局部增强。

进一步地，所述背筋2上设置的每一条筋都与所接触的蒙皮表面垂直；所述背筋2上可设置减重孔。所述背筋上设置的每条筋的横截面形状包括工字型、T型、L形、帽型、几字型、W型中的一种。

进一步地，所述背筋2和蒙皮均采用高性能复合材料，即采用碳纤维/改性树脂预浸料。所述碳纤维/改性树脂预浸料包括M46碳纤维/改性树脂预浸料、M50碳纤维/改性树脂预浸料、M55碳纤维/改性树脂预浸料、M60碳纤维/改性树脂预浸料、T700碳纤维/改性树脂预浸料、T800碳纤维/改性树脂预浸料中的一种；所述改性树脂包括环氧类树脂、氰酸酯类树脂中的一种。

本发明还提供一种蒙皮加筋结构天线反射器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：蒙皮用高性能复合材料体系的预浸料，采取单向碳纤维(或平纹碳布)预浸料手工铺层，热压罐加热加压固化成型；

步骤2：背筋用高性能复合材料体系的预浸料，采取单向碳纤维(或平纹碳布)预浸料手工铺层，用刚模和软膜结合，分别铺层，并利用投影定位，组合刚模和软膜，铺剩余铺层，最后用热压罐加热加压固化成型；

图3为工字型背筋的铺层实例，其中，图3中工字型背筋的铺层方法为先分别在刚模上的依次铺设[(±45)/0/90/90/0]铺层、在软模上铺设(±45)铺层，利用投影定位组合好刚模和软模后，在表面铺设[0/90/90/0/(±45)]铺层。

步骤3：采用胶接装配工装将反射面和背筋进行装配；

步骤4：将装配完成的天线反射器蒙皮和背筋用常温胶粘剂(J133、Aradile420等)胶接并进行常温固化，胶接间隙为0.05-1mm；

步骤5：固化完成后将胶接装配模脱去即得蒙皮加筋结构形式的天线反射器。

本发明公开了一种轻质高热稳定性蒙皮加筋结构天线反射器及其制备方法。该天线反射器是由蒙皮和背筋两个部分组成。蒙皮和背筋采用高性能的复合材料，通过合理化设计蒙皮的厚度、筋的形式、筋的分布，蒙皮和筋的铺层等，得到高铺层角容错能力的低热膨胀结构，并通过合适的成型工艺一体化成型背筋。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明本身和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，包括反射面(1)和背筋(2)，所述背筋(2)设置在反射面(1)的一侧；所述反射面(1)由单层蒙皮组成，所述背筋(2)呈曲面多格栅框架结构。

2.根据权利要求1所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，所述背筋(2)上设置有第一结点(4)、第二结点(5)、径向筋(6)、环向筋(7)和辅助筋(8)；

所述第一结点(4)位于背筋的中心，所述第二结点(5)均匀分布在第一结点(4)的外周；

所述径向筋(6)由第一结点(4)向外发散至与背筋的外缘轮廓连接或与环向筋(7)连接；所述径向筋(6)包括主筋，所述主筋连接第一结点(4)和第二结点(5)；

多个所述环向筋(7)同轴设置并与背筋的外缘轮廓平行；

所述辅助筋(8)连接背筋的外缘轮廓与环向筋(7)。

3.根据权利要求2所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，所述背筋(2)主要由多个第一扇形框和多个第二扇形框通过主筋连接组成，所述第一扇形框和第二扇形框相邻设置，多个所述第一扇形框或多个所述第二扇形框之间间隔设置；

所述第一扇形框和第二扇形框均设置有多个弧段，相邻且位于背筋同一层的第一扇形框的弧段和第二扇形框的弧段连接构成所述环向筋(7)；

所述第一扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向第一结点(4)，所述第二扇形框的外缘轮廓的弧形开口朝向反射器的内侧。

4.根据权利要求3所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，

在第一扇形框中，所述径向筋(6)由第一结点(4)向外发散至与背筋的外缘轮廓连接；所述辅助筋(8)连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓，或者连接最里层的弧段与背筋的外缘轮廓；

在第二扇形框中，所述径向筋(6)由第一结点(4)向外发散至与环向筋(7)连接；所述辅助筋(8)连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓；

在第一扇形框或第二扇形框中，相邻的所述连接最外层的弧段与背筋的外缘轮廓的辅助筋(8)之间首尾连接。

5.根据权利要求1所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，所述蒙皮的厚度为0.1～20mm；所述背筋的高度为0.1～300mm，所述背筋的厚度为0.1～10mm。

6.根据权利要求1所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，所述背筋和蒙皮的材料均采用碳纤维/改性树脂预浸料。

7.根据权利要求1或2所述的蒙皮加筋结构天线反射器，其特征在于，所述背筋上设置的每条筋的横截面形状包括工字型、T型、L形、帽型、几字型、W型中的一种。

8.一种根据权利要求1所述的蒙皮加筋结构天线反射器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、分别制作蒙皮和背筋；

S2、将所述蒙皮和背筋采用胶粘剂进行胶接装配并进行固化；

S3、待固化完成后，脱去所述胶接装配采用的胶接装配模，即得。

9.根据权利要求8所述的蒙皮加筋结构天线反射器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述蒙皮的制备方法包括：将碳纤维/改性树脂预浸料进行铺层后，经加热加压固化成型，得到所述蒙皮。

10.根据权利要求8所述的蒙皮加筋结构天线反射器的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述背筋的制备方法包括：将碳纤维/改性树脂预浸料进行铺层后，经加热加压固化成型，得到所述背筋。