DE3701029C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reflektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, die im Hinblick auf die DE-OS 34 29 417 als bekannt vorausgesetzt werden.

Reflektoren für Antennen werden häufig an erdumkreisenden Raumfahrzeugen oder Satelliten verwendet, um eine Richtfunkverbindung für Signale zwischen dem Raumfahrzeug und der Erde herzustellen. Derartige Reflektoren sind groß, ein typischer Durchmesser ist z. B. 216 cm. Die harten Bedingungen im Weltraum bringen für solche Strukturen die Gefahr von Wärmeverformung (entweder durch Änderung der Temperatur der gesamten Struktur oder durch Bestehen unterschiedlicher Temperaturen an verschiedenen Stellen der Struktur) und von Schwächungen oder Schädigungen durch auftreffende Gammastrahlen und andere Weltraumeinflüsse. Die Wärmeverformung kann durch geeigneten strukturellen Aufbau eines Reflektors vermindert werden.

Aus der DE-OS 34 29 417 ist ein Reflektor mit mehreren Lagen oder Schichten von Bändern aus graphitfaserverstärktem Epoxymaterial (abgekürzt: GFRE) mit jeweils einseitig ausgerichteten Fasern bekannt, die so angeordnet sind, daß eine dünne solide Graphitfaser-Verbundstruktur gebildet wird, die als Reflektor dient. Die einseitige Ausrichtung der Graphitfasern in der reflektierenden obersten Schicht oder Haut einer solchen Struktur kann jedoch eine polarisierende Wirkung auf die von der Struktur reflektierte elektromagnetische Strahlung haben. Diese ungewollte Polarisierung entsteht, weil die einseitig ausgerichteten Fasern die auftreffende elektromagnetische Strahlung reflektieren, während das Epoxymaterial, welches sich zwischen den Fasern befindet und die Fasern als Verbundstruktur zusammenhält, für elektromagnetische Strahlung relativ durchlässig ist. Die ungewollte Polarisierung reflektierter Signale ist bei manchen Typen von Reflektoren höchst unerwünscht.

Ein bisheriger Weg zur Lösung dieses Polarisierungsproblems besteht darin, die GFRE-Verbundstruktur als Trägerstruktur zu benutzen und die Oberfläche dieser Trägerstruktur mit einer zusätzlichen Schicht zu versehen, deren Oberfläche ihrerseits eine Reflexion entweder mit kontrollierter Polarisierung oder ohne jegliche Polarisationswirkung bringt.

Ein Beispiel für eine zusätzliche Schicht, die keine Polarisierung bewirkt, ist ein Aluminiumbelag auf der Oberfläche der durch die Verbundstruktur gebildeten Trägerstruktur. Ein solcher Belag kann dadurch gebildet werden, daß man Aluminium in einem Plasmaflammsprühverfahren auf eine Oberfläche einer Form aufträgt und dann auf dieser eingesprühten Oberfläche eine Verbundstruktur abformt. Wenn die Verbundstruktur aus der Form genommen wird, überträgt sich die Aluminiumschicht von der Form auf die Verbundstruktur. Um die Fasern der Verbundstruktur ausreichend zu bedecken und um zu gewährleisten, daß sich die Aluminiumschicht auf die Verbundstruktur überträgt, muß die Aluminiumschicht relativ dick gemacht werden (typischerweise 0,25 mm).

Bei jedem der vorstehenden Beispiele ist das Material des reflektierenden Belags thermisch inkompatibel mit dem Material der Verbundstruktur. Das heißt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des reflektierenden Gitters oder Belags ist anders als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Verbundstruktur. Diese Inkompatibilität oder Unverträglichkeit sowie die Dicke des zusätzlichen Belags führen dazu, daß der fertige Reflektor relativ starken Wärmeverformungen unterliegt, z. B. wenn seine Temperatur zwischen weit auseinanderliegenden Extremwerten wechselt, wie es im Weltraum vorkommt (typischerweise zwischen -180°C und +80°C). Außerdem erhöht der dicke zusätzliche Aluminiumbelag in unerwünschter Weise das Gewicht des Reflektors.

Beobachtungen von Reflektoren, die eine Aluminiumbeschichtung direkt auf der Oberfläche der GFRE-Verbundstruktur aufweisen, haben gezeigt, daß die Haftung zwischen der Beschichtung und der Verbundstruktur schlecht wird, wenn der Reflektor wiederholt Temperaturschwankungen zwischen -135°C und +80°C ausgesetzt ist. Zur Verbesserung der Haftung ist bei dem Reflektor gemäß der DE-OS 34 29 417 eine etwa 10 nm dicke Zwischenschicht zwischen der GFRE-Struktur und der etwa 500 nm dicken Aluminiumschicht vorgesehen.

Die schlechte Haftung ist jedoch zum Teil auf den beträchtlichen Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums und des GFRE-Materials der darunterliegenden Verbundstruktur zurückzuführen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt etwa 23,4 · 10^-6 K^-1, während der Wärmeausdehnungskoeffizient des GFRE-Materials ungefähr gleich 0,9 · 10^-6 K^-1 ist. Die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien und damit die unterschiedlichen Ausdehnungs/Kontraktions-Geschwindigkeiten während Temperaturänderungen tragen dazu bei, daß die Haftung zwischen dem GFRE-Material und dem Aluminium während zyklischer Temperaturänderungen verlorengeht.

Die vorstehenden Probleme werden bei einem Reflektor der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dicke der Chromschicht 40 bis 70 nm beträgt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß die Chromschicht verhältnismäßig dick ist, wirkt sie nicht nur als haftungsverbessernde Zwischenschicht, sondern auch als Ausgleichsschicht zur Anpassung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur und der Reflektorschicht.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert, deren einzige Figur in auseinandergezogener, isometrischer Darstellung eine erfindungsgemäße Reflektorstruktur für elektromagnetische Strahlung zeigt.

Der dargestellte Reflektor 10 hat eine Graphitfaserträgerstruktur 12, die durch mehrere Lagen 13, 14, 15, 16, 17 und 18 von Bändern graphitfaserverstärkten Epoxymaterials mit jeweils einseitig ausgerichteten Fasern gebildet ist. Dieser Aufbau ist ausführlicher in der oben erwähnten Offenlegungsschrift beschrieben.

Ebenso wie bei dem Aufbau nach der genannten Offenlegungsschrift liegen bei der dargestellten Ausführungsform die Graphitfasern 19 innerhalb jedes Exemplars der einzelnen Lagen 13 bis 18 zueinander parallel. Die Fasern in jeder Lage (z. B. in der Lage 14) können eine Orientierung haben, die um ±60° gegenüber den Orientierungen der Fasern in den jeweils benachbarten Lagen (z. B. den Lagen 13 und 15) versetzt sind. Die unterschiedlichen Richtungen der Fasern von Lage zu Lage machen die Trägerstruktur zu einer quasi-isotropischen Struktur, wie es ausführlicher in der genannten Offenlegungsschrift beschrieben ist. Der Querschnitt der Lagen 13, 14 und 15 kann spiegelsymmetrisch zu den Lagen 18, 17 und 16 (in dieser Reihenfolge) sein, wie es ebenfalls ausführlicher in der genannten Offenlegungsschrift beschrieben ist.

Die Erfindung kann alternativ auch mit einer Trägerstruktur realisiert werden, die einen anderen Aufbau als die Trägerstruktur 12 hat. Eine solche alternative Trägerstruktur kann aus einem Kern mit an sich bekannter Honigwabenstruktur bestehen, auf der sich eine Haut mit einseitig gerichteten oder in mehreren Richtungen verlaufenden Graphitfasern befindet, die als reflektierende Oberfläche dient. Eine solche Reflektorstruktur wurde von Mazzio u. a. in ihrer Arbeit "Optimized Design and Fabrication Processes for Advanced Composite Spacecraft Structures" beschrieben (Veröffentlichung des 17th Aerospace Sciences Meeting, New Orleans, LA, 15.-17. Januar 1979, Seiten 5 bis 7).

Gemäß der Figur enthält der Reflektor 10 eine Schicht aus Chrom, die auf die Trägerstruktur 12 aufgedampft ist. Auf diese Chromschicht wiederum ist eine Aluminiumschicht aufgedampft. Das Aluminium ist genügend dick, um Mikrowellenstrahlung in einer gegebenen Bandbreite zu reflektieren, z. B. im Ku-Band. Auf die Aluminiumschicht ist eine Schutzschicht z. B. aus Siliziumdioxid aufgedampft.

Das Chrom, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr 6,12 · 10^-6 K^-1 beträgt, dient als Zwischenschicht, die für eine gute Haftung an der Trägerstruktur 12 sorgt. Das Aluminium wiederum haftet ausgezeichnet an der Chromschicht. Die Chromschicht mildert außerdem die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 12 (ungefähr 0,9 · 10^-6 K^-1) und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums (ungefähr 23,4 · 10^-6 K^-1).

Gewöhnlich haftet eine Aluminiumschicht, wenn sie direkt auf der obersten Lage oder Haut 13 der Trägerstruktur 12 gebildet wird (wie bei dem weiter oben beschriebenen Beispiel) nicht zuverlässig an dieser Lage 13. Diese schlechte Haftung ist zumindest teilweise auf die Unterschiede zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien (Aluminium und GFRE) zurückzuführen, wie es schon erwähnt wurde. Ferner ist anzunehmen, daß die schlechte Haftung von Aluminium an Graphit auch an der schlechten Molekularanziehung zwischen den Materialien liegt. Ein weiterer Grund für schlechte Haftung sind sicherlich auch Verunreinigungen auf der Oberfläche des Graphitsubstrats, z. B. Rückstände von Entformungsmitteln, die bei der Herstellung des Graphitsubstrats benutzt wurden, und Verunreinigungen durch manuelle Berührung der Struktur.

Nachstehend sei zunächst ein Verfahren beschrieben, das angewandt wurde, um einige der vorstehend beschriebenen Trägerstrukturen für die Bearbeitung vorzubereiten:

Das Chrom für die Aufdampfung auf die Oberfläche der Trägerstruktur 12 wurde in Stücken auf eine Gruppe von Heizdrähten aus Wolfram in einer Vakuum-Heizkammer gelegt. Gleichzeitig wurden Aluminiumstücke auf eine andere Gruppe der Wolfram-Heizdrähte in der Kammer gelegt, und eine wiederum andere Gruppe der Heizdrähte in der Kammer wurde mit Siliziumstücken belegt. Die drei Gruppen der zum Verdampfen benutzten Wolfram-Heizdrähte, für jedes Beschichtungsmaterial eine, wurden so angeordnet, daß das jeweilige Material (Chrom, Aluminium oder Silizium), wenn es durch Einschaltung der jeweils zugehörigen Heizdrahtgruppe verdampfte, eine gleichmäßige Schicht über den ebenfalls in der Kammer befindlichen Bereichen der Trägerstrukturen bildete, wie es weiter unten noch beschrieben wird. Die Beladung verschiedener Heizdrahtgruppen mit jeweils gesonderten Beschichtungsmaterialien (Chrom, Aluminium und Silizium) gestattete es, jedes Material zu jeweils seiner eigenen Zeit innerhalb einer Reihenfolge zu verdampfen.

In der Vakuum-Heizkammer wurden ferner vier Substrate 12 aus Graphit/Epoxy-Verbundwerkstoff für HF-Antennenreflektoren angeordnet. Jedes der Substrate 12 hatte einen Durchmesser von 216 cm und eine Dicke von 0,46 mm und bestand aus sechs Lagen von Bändern mit einseitig ausgerichteten Fasern, wobei die Faserorientierung von Lage zu Lage gemäß dem Muster 0°/±60° gewählt war. Die Trägerstrukturen hatten eine glatte parabolische Oberfläche und waren vorher durch Abwischen mit Azeton entfettet und anschließend für 30 Minuten in Luft getrocknet worden. Die Azetonbehandlung bestand darin, mittels eines azetongetränkten Anti-Fussel- Tuches leicht über die Oberfläche des Substrats zu wischen, um Öle zu entfernen, die sich durch Handberührung und durch Entformungsmittel niedergeschlagen hatten, welche bei der Herstellung der Trägerstrukturen verwendet worden waren.

In der Kammer wurde jede azetonbehandelte Trägerstruktur 12 durch zugeordnete Halterungen (Lagerungslöcher, Stützpfosten, Drähte, usw.) innerhalb der Vakuum-Heizkammer in einer Entfernung von etwa 90 cm von den oben erwähnten Gruppen verdampfender Wolfram-Heizdrähte und parallel zu diesen gehalten. Mit jedem Substrat waren Meßinstrumente wie z. B. Thermoelemente gekoppelt, um die Temperatur der Trägerstrukturen zu überwachen und während der Bearbeitung innerhalb eines vorgeschriebenen Betriebsbereichs zu halten. An den Rändern der einzelnen Substrate waren Prüfstücke aus Glas und Graphit/Epoxy-Laminat befestigt, die auch mit den Instrumenten verbunden waren. Die Prüfstücke lieferten während der Behandlung der Trägerstrukturen mechanische Meßwerte über die Dicke der Oberflächenbeschichtung und Meßwerte über HF- und Wärmeeigenschaften und wurden später als Proben verwendet, um die Beschichtung nach dem Arbeitsvorgang zu prüfen.

Es sei nun das durchgeführte Bearbeitungsverfahren selbst beschrieben, wobei anzumerken ist, daß jede der vier Trägerstrukturen während des Bearbeitungsvorgangs gesondert und unabhängig kontrolliert wurde.

Die Kammer wurde zuerst auf 1 · 10^-5 Torr evakuiert und anschließend über mindestens 12 Stunden weiter ausgepumpt, um alle Feuchtigkeit aus der Kammer und den Trägerstrukturen auszutreiben.

Als erstes wurde dann ein Strom von 30 Ampère bei 120 Volt durch die mit Chrom beladene Gruppe der Wolfram-Heizdrähte gesendet, um auf den Trägerstrukturen Schichten von etwa 60 nm Dicke niederzuschlagen. Die maximale Prozeßtemperatur jeder Trägerstruktur während der Verdampfung des Chroms und des Niederschlagens der Schicht betrug 38°C.

Als nächstes wurde ein Strom von 350 Ampère bei 120 Volt durch die aluminiumbeladene Gruppe der Wolfram-Heizdrähte gesendet, bis sich auf den chrombeschichteten Oberflächen der Trägerstrukturen ein Aluminiumbelag einer Dicke von etwa 600 nm niedergeschlagen hatte (also die zehnfache Dicke der Chromschicht). Während dieser Aluminisierung wurde die Temperatur der Substrate auf 60°C erhöht.

Als letztes wurde zur Bildung der Siliziumdioxid-Schutzschicht der Druck in der Kammer durch Einlassen von Sauerstoff auf 1 · 10^-3 Torr erhöht und dann ein Strom von 30 Ampère bei 120 Volt durch die siliziumbeladene Gruppe der Heizdrähte gesendet. Während der Bildung der Siliziumdioxid- Schicht wurden die Trägerstrukturen auf einer maximalen Prozeßtemperatur von 69°C gehalten.

Jede beschichtete Trägerstruktur (nun ein fertiger Reflektor) wurde auf 38°C abkühlen gelassen, bevor die Kammer und die Reflektoren auf Atmosphärendruck zurückgebracht wurden.

Eine Inspektion der reflektierenden Oberflächen der Reflektoren zeigte, daß die Beschichtung bei allen vier Exemplaren gleichmäßig und übereinstimmend waren. Die oben genannten Dickenwerte der Beschichtungsmaterialien wurden an den Prüfstücken gemessen.

Jeder fertige Antennenreflektor wurde anschließend an sein zugeordnetes Speisesystem angeschlossen. Eine nachfolgende HF-Prüfung zeigte, daß die reflektierende Beschichtung jedes Reflektors eine zusammenhängende Aluminiumschale bildete, die keine Polarisierung in der reflektierten elektromagnetischen Strahlung bewirkte.

Zusätzliche Untersuchungen an den Prüfstücken zeigten, daß sich die Haftung zwischen den Materialien nicht verschlechtert, wenn man die Prüfstücke tausendmal Temperaturwechseln zwischen -180°C und +80°C unterwirft. Eine Bestrahlung der Prüfstücke mit Gammastrahlen einer Dosis von 1 · 10⁸ rad ergab keinerlei Anzeichen für eine Qualitätsverschlechterung der Schicht. Sowohl an den Prüfstücken als auch an den Reflektoren selbst wurden HF-Prüfungen sowie Tests und Auswertungen hinsichtlich anderer Eigenschaften vorgenommen, und zwar sowohl vor als auch nach der Einwirkung von Umgebungseinflüssen. Nach einem 400tägigen Aufenthalt in der Atmosphäre innerhalb eines kontrollierten Lagerraums, der auf eine Temperatur von 21 ± 5,5°C und auf einer relativen Feuchte von 50 ± 20% gehalten wurde, ergab keine Anzeichen merklicher Oberflächenverwitterung, weder bei den Prüfstücken, noch bei den beschichteten Reflektoren.

Ferner wurde eine Sichtprüfung der beschichteten Oberflächen u. a. mit einem Abschältest vorgenommen, bei dem ein Klebeband auf die Beschichtung aufgebracht und dann von der zu prüfenden Oberfläche abgezogen wurde. Alle Prüflinge durchliefen diesen Test erfolgreich, d. h. keine der getesteten Beschichtungen blieb am Klebeband anstatt an der Trägerstruktur hängen.

Andere Prüfungen haben gezeigt, daß die Dicke der Chromschicht kritisch für die Qualität des fertigen Reflektors ist. Genauer gesagt wurde gefunden, daß eine Chromschicht, die dünner ist als 40 nm, die Graphitfasern nicht vollständig bedeckt. Bei Dicken unter 40 nm bewirkt die Porösität der Faser/Epoxy-Oberfläche Diskontinuitäten in der Oberfläche der Chromschicht, was wiederum eine schlechte Haftung der anschließend aufgetragenen Aluminiumschicht zur Folge hat. Ferner wurde gefunden, daß Chromschichten, die dicker sind als 70 nm, nicht nur das Gewicht des Reflektors, sondern auch die Gefahr erhöhen, daß die Schichten bei Wärmebelastung versagen. Dieses Versagen liegt wahrscheinlich an dem Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Chroms und den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Graphitfasern und des Aluminiums. Die bevorzugte Dicke für die Chromschicht ist 60 ±100 nm.

Claims (5)

1. Reflektor für elektromagnetische Strahlung mit einer Trägerstruktur, welche an ihrer Oberseite eine Schicht aus graphitfaserverstärktem Epoxymaterial enthält, auf der sich eine Zwischenschicht aus Chrom und dieser sich wiederum eine die elektromagnetische Strahlung reflektierende Aluminiumschicht befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Chromschicht 40 bis 70 Nanometer beträgt.

2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Chromschicht 60 ±10 Nanometer beträgt.

3. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Aluminiumschicht etwa das 10fache der Dicke der Chromschicht beträgt.

4. Reflektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Aluminiumschicht eine Schutzschicht befindet.

5. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromschicht und die Aluminiumschicht auf die Oberfläche der Trägerstruktur aufgedampft sind.