CN113346235B - 一种复合材料天线透波罩及宽频带电厚度控制及制造方法 - Google Patents

一种复合材料天线透波罩及宽频带电厚度控制及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合材料天线透波罩及宽频带电厚度控制及制造方法，复合材料天线透波罩的A夹层结构为锥形，锥形的下沿带有内翻边法兰，筒形钛合金嵌件位于天线透波罩的顶部，26个嵌件均布在法兰周边，内蒙皮和外蒙皮的铺层采用FiberSIM软件进行铺层仿真，最佳分块数为天线透波罩锥面的1/4，铺层按照4层蒙皮铺贴，天线透波罩需进行四次热压罐固化成型。本发明保证预浸料在锥面空间上铺层的均匀性；保证胶黏剂在锥面上均匀分布，最终使天线透波罩在宽频带使用条件下电厚度均匀性达到设计要求。

Description

一种复合材料天线透波罩及宽频带电厚度控制及制造方法
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是一种天线透波罩的控制及其制造方法，可用于卫星通信、电子测控、雷达探测等领域应用的复合材料天线透波罩制造，特别适合Ku宽频带使用条件下，对电厚度均匀性要求较高的复合材料天线透波罩的设计及制造。
背景技术
雷达天线透波罩是天线系统的主要组成部分，主要作用是保护天线及相关联的电子设备免受来自环境的影响，减小电磁能量的失真，同时保证天线性能和结构稳定。天线透波罩对电磁波的吸收、反射、折射、散射，都会引起电磁波的传输损耗、插入相位差变化，给雷达系统带来不良影响，造成通信距离及雷达探测距离的降低、瞄准误差的增加，对于宽频带雷达天线的性能影响更为明显。天线透波罩在通过电磁波时幅度和相位的一致性越好，即电厚度一致性越好，实际应用中对天线性能的影响就越小。
要求较高的天线透波罩做法通常采用低介电玻璃纤维预浸料或石英纤维预浸料热压罐成型制作，利用预浸料下料机下料、激光投影对位的方法进行预浸料铺层，但在没有下料机、激光投影仪设备的情况下，通过操作人员做到精准下料、精准对位铺层就较为困难。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种复合材料天线透波罩及宽频带电厚度控制及制造方法。本发明涉及的天线透波罩用于支撑副反射器，具有透波、防护、增加强度以及减小风阻的功能，锥面成型的均匀性、稳定性决定天线透波罩性能的优良，直接影响天线透波罩的电厚度一致性。在没有下料机、激光投影仪设备的情况下，本发明提供一种利用设计制作的工装、不同阶段最佳固化工艺参数，实现天线透波罩在锥面空间铺层和胶黏剂均匀分布的方法，最终使天线透波罩在宽频带使用条件下电厚度(幅度、相位)均匀性达到设计要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种复合材料天线透波罩，在宽频带下使用，包含A夹层结构、筒形钛合金嵌件、26个嵌件和法兰，A夹层结构为锥形，锥形的下沿带有内翻边法兰，筒形钛合金嵌件位于天线透波罩的顶部，26个嵌件均布在法兰周边，天线透波罩在模具上成型A夹层结构，并用载体胶膜和发泡胶将筒形钛合金嵌件与A夹层结构粘接成一体，用发泡胶填充26个嵌件一周形成的法兰。
所述A夹层结构包括内蒙皮、芳纶纸蜂窝夹芯和外蒙皮，在模具上通过载体胶膜将内蒙皮和外蒙皮粘接在芳纶纸蜂窝夹芯的两侧，通过热压罐固化形成A夹层结构；内蒙皮和外蒙皮采用介电常数低于4.3的玻璃纤维预浸料通过热压罐固化成型制作。
所述内蒙皮和外蒙皮均为四层玻璃纤维预浸料铺层，铺贴的预浸料采用蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板分别裁切出需要的预浸料数量，按照0°/90°/0°/90°纤维方向对接铺贴，每块预浸料之间的接缝采用对接，预浸料之间不留接缝缝隙。
本发明还提供一种复合材料天线透波罩的宽频带电厚度控制及制造方法，具体步骤为：
所述内蒙皮和外蒙皮的铺层采用FiberSIM软件进行铺层仿真，得到蒙皮最佳分块数为天线透波罩锥面的1/4，最佳是指在玻璃纤维预浸料幅宽1m限制下，天线透波罩模具锥面上铺贴的预浸料接缝最少，将铺层仿真结果转换成下料样板CAD图，根据下料样板CAD图，将下料样板设计制作成内轮廓样板，分为蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板，蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板是长度和预浸料幅宽1m一致，使用样板裁切预浸料时，样板四周的方框与预浸料边沿对齐，裁切的0°和90°预浸料角度符合纤维角度要求，可以防止下料过程中预浸料纤维方向角度的误差对天线透波罩力学性能及均匀性的影响。
所述铺层按照4层蒙皮铺贴，每层蒙皮由4块预浸料在模具上拼接铺贴，为保证16块预浸料接缝在锥面上均匀分布，每层预浸料拼接缝错开22.5°进行铺层(360°÷4层÷4块＝22.5°)，第一层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线1，第二层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线2，第三层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线3，第四层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线4，即可精确控制蒙皮错缝角度，保证每块预浸料接缝在锥面上均匀22.5°分布，从铺层上减小铺层误差的随机性，从而控制天线透波罩电厚度的均匀性。
所述中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装均为圆形，在圆周边沿环绕一周均匀设有16个刻线，每两个刻线之间的中心角度为22.5°。
所述天线透波罩需进行四次热压罐固化成型，四次成型采用不同的固化参数，固化内蒙皮、外蒙皮时采取1℃/min的升温/降温速率和300kpa的成型压力，保证蒙皮厚度均匀性；连接蒙皮与芳纶蜂窝芯材的载体胶膜固化时，考虑芳纶纸蜂窝的抗压强度，采取150kpa的成型压力；发泡胶和嵌件粘接固化采取150kpa的成型压力和2.5℃/min的升降/温速率。不同阶段采用不同的固化工艺参数，从胶黏剂均匀分布上控制天线透波罩电厚度的均匀性。
通过嵌件定位工装确定嵌件位置，用SY-P14胶固定26个嵌件，嵌件周围的芳纶纸蜂窝采用J-47D发泡胶填充，成为天线透波罩环状补强结构的法兰。
本发明的有益效果在于在缺少下料机、激光投影仪设备的情况下，本发明通过设计制作下料工装，角度对位工装，精准下料、精准在锥面上对位铺贴预浸料，减小制造缺陷和铺层误差的随机性，保证预浸料在锥面空间上铺层的均匀性；预浸料、载体胶膜、发泡胶等固化采用不同的固化工艺参数和升降温速率，保证胶黏剂在锥面上均匀分布，最终使天线透波罩在宽频带使用条件下电厚度(幅度、相位)均匀性达到设计要求。
对于在宽频带使用状态下，天线透波罩的电厚度均匀性要求较高的情况下，天线透波罩通常采用低介电玻璃纤维预浸料或石英纤维预浸料热压罐成型，在预浸料下料时，利用预浸料下料机精确下料，在模具上铺层时采用激光投影对位的方法进行预浸料角度精确对位铺层的方法，来保证预浸料在锥面空间上铺层的均匀性。但在没有下料机、激光投影仪设备的情况下，通过操作人员手工下料做到精准下料、精准对位铺层就较为困难，本发明通过FiberSIM软件仿真得到最佳分片图形，转换成CAD图形，制作内轮廓下料工装，角度对位工装减小制造缺陷和铺层误差的随机性，保证预浸料在锥面空间上铺层的均匀性。
本发明制作的角度对位工装包含中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装，通过两个工装的组合搭配使用，解决铺贴内、外蒙皮的预浸料在锥面上接缝的均匀性分布问题。
本发明制作的两种内轮廓下料样板避免了操作人员下料时对预浸料纤维角度的误差，预浸料幅宽为1m,下料样板宽度1m，只要样板四周与预浸料的边沿对齐，裁切的预浸料角度就符合纤维角度要求，避免预浸料角度误差带来的固化后的天线透波罩扭曲形变问题。
本发明根据预浸料、胶膜、发泡胶固化的不同特点，采用不同的固化工艺参数、不同的升降温速率，保证胶黏剂在锥面上分布的均匀性，避免胶黏剂分布不匀带来的电厚度不均匀，最终影响雷达天线的性能。
本发明采用FiberSIM复合材料软件仿真得到接缝最少的最佳铺层方法，并利用软件仿真结果制作蒙皮的内轮廓下料样板；采用角度对位工装精确控制内、外蒙皮铺层接缝，保证内、外蒙皮空间分布上的均匀性；采用适合的固化成型参数分别成型内蒙皮、蜂窝粘接、嵌块及发泡胶、外蒙皮成型，保证胶黏剂在锥面天线透波罩上分布的均匀性。采用上述方法制作的天线透波罩，电厚度均匀性好，幅度一致性可以控制在±0.1dB以内，相位一致性可以控制在±3°以内，优于设计要求。
附图说明
图1是本发明天线透波罩示意图。
图2是本发明中心角度对位工装，其中图2(a)为工装侧视图，图2(b)为工装主视图。
图3是本发明法兰外围角度对位工装。
图4是本发明Fibersim1/4铺层仿真图。
图5是本发明Fibersim铺层仿真图。
图6是本发明蒙皮0°下料样板。
图7是本发明蒙皮90°下料样板。
其中，1-A夹层结构，2-法兰，3-筒形钛合金嵌件，4-嵌件(法兰周边共26个)，5-发泡胶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明实施的复合材料天线透波罩在Ku宽频带下使用，为带有内翻边法兰的锥形整体式A夹层结构，天线透波罩包含A夹层结构、用于连接副反射器的筒形钛合金嵌件、法兰上有连接主反射器的26个钛合金预埋嵌件，同时包含一种利用下料工装的精确下料方法；一种用角度对位工装在锥面上精准对位铺贴预浸料的方法；一种采用固化工艺参数，保证胶黏剂在锥面上分布的均匀性的方法，最终使天线透波罩在宽频带使用条件下电厚度均匀性和透波率达到设计要求。
一种复合材料天线透波罩，在宽频带下使用，包含A夹层结构、筒形钛合金嵌件、26个嵌件和法兰，A夹层结构为锥形，锥形的下沿带有内翻边法兰，筒形钛合金嵌件位于天线透波罩的顶部，26个嵌件均布在法兰周边，天线透波罩在模具上成型A夹层结构，并用载体胶膜和发泡胶将筒形钛合金嵌件与A夹层结构粘接成一体，用发泡胶填充26个嵌件一周形成的法兰。
所述A夹层结构包括内蒙皮、芳纶纸蜂窝夹芯和外蒙皮，在模具上通过载体胶膜将内蒙皮和外蒙皮粘接在芳纶纸蜂窝夹芯的两侧，通过热压罐固化形成A夹层结构；内蒙皮和外蒙皮采用介电常数低于4.3的玻璃纤维预浸料通过热压罐固化成型制作。
所述内蒙皮和外蒙皮均为四层玻璃纤维预浸料铺层，铺贴的预浸料采用蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板分别裁切出需要的预浸料数量，按照0°/90°/0°/90°纤维方向对接铺贴，每块预浸料之间的接缝采用对接，预浸料之间不留接缝缝隙。
本发明还提供一种复合材料天线透波罩的宽频带电厚度均匀控制及其制造方法，具体步骤为：
所述内蒙皮和外蒙皮的铺层采用FiberSIM软件进行铺层仿真，得到蒙皮最佳分块数为天线透波罩锥面的1/4，最佳是指在玻璃纤维预浸料幅宽1m限制下，天线透波罩模具锥面上铺贴的预浸料接缝最少，将铺层仿真结果转换成下料样板CAD图，根据下料样板CAD图，将下料样板设计制作成内轮廓样板，分为蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板，蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板是长度和预浸料幅宽1m一致，使用样板裁切预浸料时，样板四周的方框与预浸料边沿对齐，裁切的0°和90°预浸料角度符合纤维角度要求，可以防止下料过程中预浸料纤维方向角度的误差对天线透波罩力学性能及均匀性的影响。
所述铺层按照4层蒙皮铺贴，每层蒙皮由4块预浸料在模具上拼接铺贴，为保证16块预浸料接缝在锥面上均匀分布，每层预浸料拼接缝错开22.5°进行铺层(360°÷4层÷4块＝22.5°)，第一层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线1，第二层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线2，第三层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线3，第四层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线4，即可精确控制蒙皮错缝角度，保证每块预浸料接缝在锥面上均匀22.5°分布，从铺层上减小铺层误差的随机性，从而控制天线透波罩电厚度的均匀性。
所述中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装均为圆形，在圆周边沿环绕一周均匀设有16个刻线，每两个刻线之间的中心角度为22.5°。
所述天线透波罩需进行四次热压罐固化成型，四次成型采用不同的固化参数，固化内蒙皮、外蒙皮时采取1℃/min的升温/降温速率和300kpa的成型压力，保证蒙皮厚度均匀性；连接蒙皮与芳纶蜂窝芯材的载体胶膜固化时，考虑芳纶纸蜂窝的抗压强度，采取150kpa的成型压力；发泡胶和嵌件粘接固化采取150kpa的成型压力和2.5℃/min的升降/温速率。不同阶段采用不同的固化工艺参数，从胶黏剂均匀分布上控制天线透波罩电厚度的均匀性。
通过嵌件定位工装确定嵌件位置，用SY-P14胶固定26个嵌件，嵌件周围的芳纶纸蜂窝采用J-47D发泡胶填充，成为天线透波罩环状补强结构的法兰。
天线透波罩具体制造过程如下：
(1)准备主材、辅材、天线透波罩模具、下料样板、定位工装、铺层对位工装、成型组合工装；
(2)清理模具、定位工装、铺层对位工装、成型组合工装接触预浸料的部位均涂700NC脱模剂2遍，每遍之间间隔30分钟，脱模剂涂覆完整、连续；
(3)用蒙皮0°和90°内轮廓下料样板下料，用中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装定位，四层预浸料按照0°/90°/0°/90°依次在模具上对接铺贴，对接缝宽度小于0.5mm，每层预浸料之间接缝错开22.5°；铺贴辅料并密封，按照内蒙皮工艺参数热压罐固化内蒙皮，固化时间为10～12小时；
(4)用蜂窝下料样板裁切4块芳纶纸蜂窝，用蒙皮下料样板裁切4块J-95载体胶膜，先在蒙皮上对接平整铺贴胶膜，再对接铺贴蜂窝/辅料，蜂窝对接缝隙处铺贴一层J-95载体胶膜，按照胶膜工艺参数热压罐固化粘接蜂窝，固化时间为7～8小时；
(5)通过嵌件定位工装确定26个嵌件位置，用SY-P14胶固定26个嵌件，嵌件周围的芳纶纸蜂窝采用J-47D发泡胶填充，按照发泡胶工艺参数热压罐固化发泡胶，固化时间为7～8小时；
(6)按照图纸要求，对法兰边沿进行打磨修形，直至符合图纸要求；
(7)按照蒙皮0°和90°下料样板下料，用中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装定位，四层预浸料按照90°/0°/90°/0°依次在模具上对接铺贴，再铺贴辅料并密封，按照外蒙皮工艺参数热压罐固化外蒙皮，固化时间为10～12小时；
(8)脱模采用筒形嵌件下的脱模板均匀用力，将天线透波罩脱离模具的方式，整理外观，完成宽频天线透波罩的制造。

Claims (4)

1.一种宽频带复合材料天线透波罩的制造方法，所述复合材料天线透波罩包含A夹层结构、筒形钛合金嵌件、26个嵌件和法兰，所述复合材料天线透波罩中，A夹层结构为锥形，锥形的下沿带有内翻边法兰，筒形钛合金嵌件位于天线透波罩的顶部，26个嵌件均布在法兰周边，天线透波罩在模具上成型A夹层结构，并用载体胶膜和发泡胶将筒形钛合金嵌件与A夹层结构粘接成一体，用发泡胶填充26个嵌件一周形成的法兰；所述A夹层结构包括内蒙皮、芳纶纸蜂窝夹芯和外蒙皮，在模具上通过载体胶膜将内蒙皮和外蒙皮粘接在芳纶纸蜂窝夹芯的两侧，通过热压罐固化形成A夹层结构；内蒙皮和外蒙皮采用介电常数低于4.3的玻璃纤维预浸料通过热压罐固化成型制作；所述内蒙皮和外蒙皮均为四层玻璃纤维预浸料铺层，铺贴的预浸料采用蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板分别裁切出需要的预浸料数量，按照0°/90°/0°/90°纤维方向对接铺贴，每块预浸料之间的接缝采用对接，预浸料之间不留接缝缝隙；其特征在于包括下述步骤：
所述内蒙皮和外蒙皮的铺层采用FiberSIM软件进行铺层仿真，得到蒙皮最佳分块数为天线透波罩锥面的1/4，将铺层仿真结果转换成下料样板CAD图，根据下料样板CAD图，将下料样板设计制作成内轮廓样板，分为蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板，蒙皮0°下料样板和蒙皮90°下料样板是长度和预浸料幅宽1m一致，使用样板裁切预浸料时，样板四周的方框与预浸料边沿对齐，裁切的0°和90°预浸料角度符合纤维角度要求；
所述铺层按照4层蒙皮铺贴，每层蒙皮由4块预浸料在模具上拼接铺贴，每层预浸料拼接缝错开22.5°进行铺层，第一层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线1，第二层的4块预浸料铺层时每块预浸料边沿对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线2，第三层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线3，第四层对准中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装上的4个刻线4，即可精确控制蒙皮错缝角度。
2.根据权利要求1所述宽频带复合材料天线透波罩的制造方法，其特征在于：
所述中心角度对位工装和法兰外围角度对位工装均为圆形，在圆周边沿环绕一周均匀设有16个刻线，每两个刻线之间的中心角度为22.5°。
3.根据权利要求1所述宽频带复合材料天线透波罩的制造方法，其特征在于：
所述天线透波罩需进行四次热压罐固化成型，四次成型采用不同的固化参数，固化内蒙皮、外蒙皮时采取1℃/min的升温/降温速率和300kpa的成型压力；连接蒙皮与芳纶蜂窝芯材的载体胶膜固化时，采取150kpa的成型压力；发泡胶和嵌件粘接固化采取150kpa的成型压力和2.5℃/min的升降/温速率。
4.根据权利要求1所述宽频带复合材料天线透波罩的制造方法，其特征在于：
通过嵌件定位工装确定嵌件位置，用SY-P14胶固定26个嵌件，嵌件周围的芳纶纸蜂窝采用J-47D发泡胶填充，成为天线透波罩环状补强结构的法兰。
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