第３４卷第３期 ２０１８年６月 电子机械工程 Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ·制造工艺· ＤＯＩ：１０．１９６５９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—５３００．２０１８．０３．０１３ 碳纤维复合材料在星载天线结构中的应用 张登材。张义萍，黄福清，张杰 （中国电子科技集团公司第二十九研究所， 四川成都６１００３６） 摘要：随着电子设备结构轻量化技术的发展，碳纤维复合材料作为一种重要的材料在航空航天领域得 到广泛应用。文中首先，总结了碳纤维复合材料的优异性能，介绍了碳纤维复合材料天线的铺层设计； 接着，重点阐述了碳纤维复合材料星载喇叭天线、反射面天线、天线支架的结构设计要点；最后，基于工 程实践提出了一些注意事项，以供其他类型星载天线结构设计参考。 关键词：碳纤维复合材料：星载天线；喇叭天线；反射面天线 中图分类号：ＴＢ３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５３００（２０１８）０３—００５２—０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＺＨＡＮＧ Ｄｅｎｇ－ｃａｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉ－ｐｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｆｕ－ｑｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ （Ｔｈｅ ２９ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔ｝ｌ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＣＦＣＭ） ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｆｉｅｌｄ．Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＣＦＣＭ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｃｋｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｈｏｒｎ ａｎｔｅｎｎａ，ｒｅ— ｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｆｒａｍｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ， ｓｏｍｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＣＦＣＭ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＣＦＣＭ）；ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｎｔｅｎｎａ；ｈｏｒｎ ａｎｔｅｎｎａ；ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ａｎｔｅｎｎａ 引 言 随着航天技术的发展，宽频段、高增益、大口径的 天线在航天领域的应用越来越广泛。众所周知，航天 器对质量非常敏感，而太空环境十分恶劣，温度变化剧 的影响，为星载天线减重设计提供了有效途径；文献『２］ 综述了碳纤维复合材料在航天领域的应用现状和发展前 景；文献［４］研究了碳纤维复合材料在某雷达天线骨架和 某单层板加背筋反射面天线中的应用；文献［５－９］重点研 究了基于碳纤维复合材料天线的制作工艺和仿真分析。 目前，关于碳纤维复合材料天线的研究大多侧重于加工 烈．因此研究如何降低这些天线的质量和提高这些天 线的环境适应能力具有重要意义［１－４］。 碳纤维复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强 制造工艺、仿真分析等方面。针对这种天线的结构设计要 点的研究鲜见报道。为此，本文全面系统地研究了碳纤 体的复合材料，具有质量轻、模量高、热膨胀系数低等 特点。碳纤维本身具有导电性，在一定的频率范围内 能够完成天线电磁波的发射或接收，并能承受一定的 功率。因此用碳纤维复合材料制作的天线不仅能保证 天线的电性能而且质量轻．比强度高，抗冲击振动能力 强．能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考 核，是星载天线的首选材料ｌ５ ］。 文献［１］研究了不同模量的碳纤维对天线电磁性能 维复合材料与星载天线性能相关的特点，阐述了应用于 星载天线结构设计时的铺层设计和结构设计要点．可为 星载天线结构设计提供工程参考。 １碳纤维复合材料的特性 １．１碳纤维复合材料的机械性能 应用于航天领域的主要的几种碳纤维及其主要性 能见表１。 ｝收稿日期：２０１８—０４—２６ ·５２· 第３４ ３ 张登材，等：峨纤维 表ｌ碳纤维性能参数表 材料 互 人线 ｛＝ｆ！Ｊ—ｌＩｎ０ 川 ·制造工艺· 脂 …化过程ｒｆＩ收缩较人 父键 豢 此．合 的铺层设计是 碳纤维复合材料人线取得较 ｎ，Ｊ机械性能和电性能的 …】 碳纤维轴 此只仃采Ｈ｛准各川 径向的热膨胀系数卡Ｈ差较大．【夭１ 对称钉盯层．ｊｉ 利川岛模量纤维轴 载天线在高 向热小杉胀系数为饥 ，术－Ｙ￣ｆｉ ｊｆ 较大的热膨胀系数， 才能他符 热膨胀系数接近“ ”．以保 从 ｌ１叮以仃…．州比 ｆ 统令 材料，碳纤维的 低温变化剃烈的久。 境『ｌ 特稳定的 面精度。Ｉ 密度小（｝ｌ仃 １合 的０．６４ ｆ ），比 度桐”匕模最尚， 比强度址 合 的１７．８俯，比懊 足斜１ 金的７ ｆ『ｆ （碳纤维以 １７００ 例， ５合 以Ｉ 、ｌ２ＣＺ乃例） 碳纤维复合忖料ｆＪ【瞅一 能ｆｔ＂Ｊ岛低 逃 的碳纤维 种类常ＤＪ ｆＩ１火．Ｍ系列的碳纤维卡Ｉ！ 较ｌ 、 ，ｆ【ｌ强度较 低，ＴＴ００的１ Ｉ’ ，ｆ…萸 较低 １．２碳纤维复合材料的热性能 碳纤维４１ＩＩ…ｆｌｌ …的热嘭胀系数卡Ｉｌ 比较大． ｆ＝Ｌ随卉模艟的增 ｆ，纤维轴向的热膨胀系数会下降，＾￡ 至… 饥ｆｌｌｌ ＿Ｊ 这个特点． 人线成Ｊ 过 巾没 不同的纤维钉打层 缃． －Ｊ‘以他人线 成， 过 卡¨实际 丁作环境ｒｌ１做到…冬 ” 刈ｒ 乍 热交变剧烈 的太 境Ｉｌ－的 哉人线，采川这种“零 胀”系数材 料米他Ｊ Ｉ构平¨ 艘保持稳定是非 效的 １．３碳纤维复合材料的电性能 迎常 卜，人线仃“驻波”卞¨“增 ”２个重要的 电性能指 天 ，Ｊ驻波指的址反射功牢 ｊ输人功 牛‘ 之比， 波越小越＆ｒ：人线的增 指的是 输入功率川 等的条什卜，实际人线 的辅射 已 问同· 点处所Ｊ ：＇１－的信 Ｊ＿ＪＪ 密度之比，它定０ｌ 地捕述一个 人线把输入Ｊ力率 ｒｆｔ甜 ｛别’的 嫂． 股 卜增 越 高越 仃的７－Ｊｆ究 ｆｊＩ】：碳纤维复合材料天线的驻 波和增 ｊ人线Ｉ Ｊ、Ｊ 』 ，ｊ碳纤维卡ｊ！ 密切卡ｆ１天．内 层碳纤维的卡Ｉ！ 『 、 ，人线ｆＩ＂Ｊ驻波就越低．增益就越 高，天线的ｌ乜悱能 尴 １．４碳纤维复合材料设计上的先进性 碳乡ｒ维 合材料址一种符 悱材料．沿纤维轴 ‘ 向和乖 ： 下维轴力‘…的电、磁、热、力学 能邯有明｛ＩＩ！． 的差别这样的 悱给设汁 ：来ｒ较多的 选择 性．可以通过介通的｛：ｆｉｂ．－ 向 Ｊ 数米满 强度、刚度 和其他特殊 求， 的优化没汁捉供ｒ Ｊ 欠的没汁 空问，址传统的符…Ｉｌ小 卡于料 尢法【‘１：４１）￣（ｉ９ ２碳纤维复合材料天线铺层设计 碳纤维 合材料ｒｌＩｆＪ，Ｊ碳纤维和树脂的 能差圳 人，碳纤维各 ，轴…和ｆ …性能相丝很大．而树 碳纤维钎ｆｊ＿ 没汁－ｆ ， Ｉ 减少纤维断广ｉ和搭接，同 时保ｈｉ１２７维铺放 ，咂点 铺层的对称性以减少翘 ｌｆｆＩ变形米捉高天线邴什的精艘 【｛１于碳纤维材料严重的 各向件 ， 平函 会Ｊ ，Ｉ 特眯的托剪耦合效庖，因此除 ｊ 采Ｊ１１０。、９０。的ｆＩ ｌｒ－ ＂－ ｉ外．眦 醚采用±ｐ。方式的铺层 设汁，他纤维方 分Ｊ ，Ｊ平㈣大】均匀分 、碳纤维复合材料 大线的Ｉ乜性能指标主要取决于 而天线ｆ』、Ｊ表 材料的导ＩＵ性， 此面天线内表层材料 优选Ｍ系列高 ㈣ ７，Ｊ碳纤维，以保证天线较低的驻波 和较ｌ叠的增益指标，』 余增姒 选强度较高、价格相对 便宜的Ｔ系列碳纤维将商懊ｆＩ；＝的Ｍ系列和高强度 的Ｔ系列碳纤维 合使用， 人线的电性能、刚强度、 价格 力‘向进行折衷，以满 Ｉ 州 求 ３ 碳纤维复合材料天线结构设计 ３．１ 喇叭天线结构设计 将喇叭天线的喇叭体、Ｊ 脊、下脊、安装法兰盘等要 素设汁成一个零什，圳 １乖ＩｌＩ殳ｌ ２所示 采ＪｌＨ改型的环 氯树Ｈ Ａ ８０为 体材料，Ｍ６０Ｊ高模量碳纤维为天线 内表Ｉ 导电层， ００ Ｉ 强崾碳纤维为天线的增强层．铺 层方』Ｉ＝按［０。／９０。］Ｉｒ交铺没，成Ｊ 方式采川在模具上 铺层、热 罐Ｉ 化战 进一步提高天线的电性能和 机械 能，采取喇叭体、 脊、下脊、安装法兰盘整体铺 层连接『幺Ｉ ｌ所爪的 肜喇叭的外形尺寸为２３０ ｌｌｌｌｎ Ｘ ２００ Ｉｉｌ１１１ Ｘ ２ｌ１ ＩＩ］ｌｌｌ，弧０．４３ ｋ ： ２昕示的 形喇叭的 外形Ｊ 、ｒ为 ２『Ｉｌｌｌｌ Ｘ ｌ １０ ｔｉｌｌＩＩ，重０．０５ ｋｇ 、经实物测 试，所仃指标均满址没汁 求 纠Ｉ 碳玎纠 合ｆ４ ：｝Ｉ４ 肜ｆ ４ ｌ，Ｊ：患ｆ ·５３· ·制造工艺· 电子机械工程 ！ 嵌外 计料 Ｊ 叭，Ｊ 总 通常情 下， 城人线结构设汁完成后还需要按 项厂１环境试验条什逊ｆ１亍柯限元仿真分析．以校核其 刚 度是否满足 求 针刈‘碳纤维复合材料天线的仿 分忻研究比较成熟．川天文献也比较多 、限于篇幅， 这‘Ｉ 详述，仪给… １和 ２所，Ｊｊｌ火线的基频分 忻 粜 １昕爪 形喇叭的基频为５６７ Ｈｚ．振型如 ３所示： ２所爪 彤喇叭的 频为１ ３２９ Ｈｚ．振型 ４昕爪 分析 【ＩＪ】这２个喇叭天线的基频都很 Ｉ ，川强度 ，满址设汁。 求 一 ４…ｊ｛＝三喇叭Ｉ阶振｝ 爪 ３．２反射面天线结构设计 通常悄 下。 Ｊ 碳纤维复合材料没汁的天线反 射Ｉ（Ｉ 主要有３种结构形式：单层板加背筋、蜂窝灾层结 构 蜂窝火 结构『Ｊ』１背筋，如ｆ司５所，Ｊｊ 单层板 背 筋的这种形ｊ＝ 刑 低，精度不易保证，仅适Ｈ】于型 … 度 离的小Ｊ 、¨乏射面：蜂窝夹层结构南于轻质 的蜂窝芯材将高 碳纤维复合材料面板隔开．增大 构惯 ｌｑ－ 从 提Ｉ …度，仃利于保旺反射面的型 度币¨减少 ：蜂窝夹层结构ＪＪＩＩ背筋这种形式进 ·Ｓ４· 一步提高ｌｒ反射 的… 度，逝川 人』 寸反射向 蒙皮 蜂寓 Ｊｆ一厂 蕊ｆ （ａ）单层板加背ｊｊｊｉ “１１蜂窝夹层｝． 构 ｆｃ）４啼寓炙 结构加背筋 ５ 碳纤维 １： 料反乌Ｉｆｍ ０ Ｊ 』 爪意 图６所示的偏馈Ｊ乏射 Ｌ １ 为２．２ １１１．罔７所示 的正馈反射面Ｌ】径为１．５ Ｉ１１．』 寸鄙比较尺，反射面型 面精度要求高，Ｉ夫］此采用蜂窝火 构ＪＪＩＩ背筋的结构 形式 冬１ ６碳纤 台ｆ』‘｝１， ｉ ｌ，Ｊ ，Ｊ 意ｊ窨１ Ｉ ７僻 Ｉ ”科ｌＩ 小 匹 综合考虑反乌寸 的强度ｆ１１ｆＵ 能．决定反射向的 内外蒙皮都采川Ｉ』 ￣１５５Ｊ碳 ｆｆＩ ２』 １＂７００无纬布按 ［±４５。／０￣／９０。］准 向川 ！ 』 （ Ｉ面导电层为 Ｍ５５Ｊ碳布），保证内外蒙发的埘称 ，以确保天线在温 度场的作片Ｊ下 ：ｌ 小的翘ｌＩｆ １肜 ．ｊ；’虑刮重量和 强度，夹层结构ｒＩｉ『Ｉ，Ｊ蜂窝选川５×０．０４钳１蜂窝 埘夫 线的背筋没有电性能 求． 此增 材料选用 １７００按 各向同性等效铺 裟皮 背介ｊｊ的 体材料邵采川改 的环氧树脂Ａ（；一８０ 背筋对提高卞¨稳定眨射ＩＩ 瞍 ’匝要，考虑到 匝揎的， ６所爪的偏磁反射 决定采用“ ”字 型式布置背筋，将反射面４个 紧 ｊ人线展开机构 连接点连接起来．形成传 路 ． ７ 示的正馈反 射面决定采刖“水… 式 筋，将眨射面Ｊ二６个 第３４卷 ３ 张登材。等：碳纤维复合材料ｆ，Ｉ 找天线 构Ｉ【１ｎ 川』 ·制造工艺－ 支撑杆『古ｌ定点 ｊ人线安装 ÷、 ㈨定点连接起来．形成 传力路径 Ｊ 成ｆＩ勺偏锨 仪重１２．９ ｋｇ（含４ 个钛合金Ｊ 紧企）， 馈反身１Ｊ 仪 ７．８ ｋ 经实物测 试，反射面的电 能指标满址 汁 求．空 环境适应 性通过鉴定级 验号十之 ３．３天线支架结构设计 一般 况ｉ－，埘ｌ夫线支 没仃电性能要求，任航 天领域重 、 ｝；虑匝 、强 、成小等问题 『殳１ ８所示 的小型星找人线支架（９５ １１１１１１×ｇ５ ｌｌｌｌｌｌ×９０ ｆｉｌｌＴ１）采 用改型的环瓴树脂－＼Ｇ一８０ ｊＩ 材料，价格卡Ｈ对便 宜的Ｔ３００碳纤维为支架的Ｊｌ＇Ｊ＇ Ｊ ，铺层方 按ｆ ０。／ ９０。］正交｛；Ｉ｝ｉ设，成 力‘式采ＪＩ Ｊ 模 上铺层、热压罐 化整体成， 终 成ｆ１９芝 仪 ０．Ｉ Ｉ ｋｇ．各项 指标满足 求 【冬１ ８碳纤维 人 示意 ４需要注意的问题 与传统金属材料卡ｆ｛比，碳纤维复合材料！Ｌ仃很多 优点，但将 匕应川丁 找天线 需要注意以下几 个问题： １）高卡Ｉ！： 系列碳纤维 ＩＵ性能上接近 般金 属，但相关研究丧ＩｌＪ】，即他川Ｍ６０Ｊ这种高模－ｉｌＬＬ碳纤维 制作的天线，与川样的金 材料人线相比，其增 ｕ三会 有所下降，特圳址 一曲频段，增ｉ 下降会更明 ［大ｌ此 高频段天线选Ｊｌｊ碳纤维复合材料ＩＩ、ｆ， 留有一定的增 益余量 ． ２）碳纤维 合材料天 芰 【：如果没汁有螺 纹孑Ｌ．则需‘ 设汁 材料ｉ；￣ｉ－ｌ：！ｔ！ｆ ．仡成型过氍１｝ｌ埋入 螺纹孔处，ｆＩｌＪ１化成 后存仑 颅 什上打孔攻丝，以保 证螺纹连接强 ３）碳纤维复合 ‘料天线或艾 采用存模具上铺 层的方式制作，Ｉ 此 零什转『『】处 ｉ要设计Ｉ 艺ｌ剐角 ５ 结束语 壤ｒ碳纤维复合材料的独特性能．对其进行了深 入研究和大 试验， ±终成功地将ｊ 川于多个星载 天线结中勾…ｆ，解决丁实际Ｉ 程 用难题、住此基础上， 重点介绍了将其 川ｔ Ｊ 人线 掏时的钉打层设计．详细 阐述＇『，碳纤维复合材Ｔ；Ｉ叫Ｉ １ｉ Ｚ ￣ 半＂０叭天线、反射 天线、天 线支架的结构设计。 · 、 ，Ｊｉ 给…了· 注意事项。碳 纤维复合材料这种低懈瞍轻 材料以 优异的力学、 热学、电磁性能 找人线 构巾必将得到越来越广 泛的ｆ、 ¨Ｊ．本文的研究Ｉ Ｊ‘以为以后其他类型的星载天 线结卡勾设计提供参 、 碳纤维复合材料人线采ＪＩ】模具糊制成型．其尺寸 精度、表而粗糙瞍都低 々统的采刖金腻材料通过机 械加ｌ 成 的天线．从 ｆｌ 响 电磁 能、在同等情 况下，碳纤维复合材料人线的增益也低ｊ 传统金属材 料大线，高频段的天线圯ｊ Ｉ月１ 冈此，如何提高碳纤 维复合材料火线的柑眨ｆｌ】增益值得深入研究。 参考文献 『Ｉ］ 迎 １．发庆外，ＩＩ １ 。 ．碳纤维 材料卫星天 线的倒ｆ带０『Ｊ ． ｒ ｝： ｝ｆ４‘荆 ，２００７，ｌ ８（１）：１８—２０． 『２１ 戚，郭杈锋．碳纤维 材料 航天领域的应用＿Ｊ］． ｆ｛ＩＩｑ 。 ’．２０ｌｌ，３（４）：２（）１—２１２． 『３］ ］｝『；传洋，陆 ，｛ ’Ｉ．等．碳纤维复 付料卫星杆件优 化没汁ｌＪ］．高科十芑玎 川Ｊ．２０Ｉ６，４Ｉ（４）：２３—２６． 『４］ 彭人 ．复合材料 卅达人帧系统 构设计【ｆ１的应用 ．Ｊ１．纤维复合材Ｔ；Ｉ，２（｝０８，ｌ ８（２）：ｌ ８—１９． 『５ １ ，，芳，扎涛．离 碳纤维反射器制造技术『Ｊ］。电子机 做Ｉ ， Ｏｌ２，２８（５）：５３—５６． ６］ ｝ｉ海东，郭海鹰， ． ．轻质复 材料大线辐射梁 Ｉ 几何『了 Ｊ］。ＥＵ』 【倾１ ｆ ，２０Ｉ ２，２８（３）：４８—５０． 『７］ 姚骏，满孝颖． ０ｔ＜，Ｉ ．】 承，Ｊ简的结构特点与 川分析ＩＪ １．Ｆ Ｊ 机械】 ，２０１０，２６（３）：２４—２８． ８ １ 仆游．颐烘．碳纤维火 反射 成型中Ｉｌ！ 没计｜Ｊ］．电子 ｆＪ【 ｌ 氍．２０ｌ２ ２８（６）：５８—６０． 『９］ 孙 消．Ｉｊ生艾．ｉｆｆ｝ 匕】 ：．久 喇叭状碳纤维天线成型 Ｉ 研究１Ｊ］． Ｊ造技术，２０１２（１２）：ｌ７１一ｌ７３． 张登材（１９７３一），男，硕士，高级工程师，主要从事 电子设备结构设计与研究工作 ·５５·
